信号与电源完整性分拆与设计-李玉山第7讲

信号及电源完整性分析与设计[Chapter7]
第七讲
传输线设计及接地、过孔分析
西安电子科技大学电路CAD研究所 李玉山
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7.0
引言
美国90％工程师按传输线设计互连。说到底，传输线 是一种场的简化概念！关注的是互连的阻抗、时延和信号 的波形！ 准确分析高速互连的SI，要从认识传输线开始！ 传输线三种阻抗万变不离其宗，仍是阻抗的基本定义 。只不过将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗；将信号随 时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗。如果在信号前进过程中 ，传输线的横截面，包括信号路径与返回路径几何结构都 不变的均匀传输线，则称其为特性阻抗。
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一般的传输线都是由两条有一定长度的导线组成。
图7.1给出传输线概念的本质特点，把一条称为信号 路径，另一条称为返回路径。
图7.1 传输线由任意两条有一定长度的导线组成。其中一条标记为 信号路径，另一个为返回路径
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一种糊涂认识：线电阻怎么是50Ω？是并联还是串联？ 注意，这里应是阻抗而非电阻！ 传输线的两个重要特征：特性阻抗和时延(低速场合均被
忽略而已)，说的都是：传输线对信号的作用。
理想传输线模型 (彻底的分布式)性能与实际互连实测性 能更加吻合；模型带宽相当高。理想传输线也可以用R-LG-C集总参数组合近似。 理想传输线是仿真工具箱中的一种新的电路元件，用于 仿真效果较好，但电路概念不够简明易懂。
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7.1
返回路径不同于“接地”
以往我们简单地将“地”当作传输线返回路径。 信号完整性设计中，最忌讳的就是滥用“地”这一名词。 应习惯于把其他导体看作是返回路径。事实上，中央 “ 地 ” 已经难觅，更多的是本地“地”。 电源布线主要考虑SSN，不要让多个返回路径形成“大 合唱”。理想情况下每个信号都有单独的返回地路径。即 使一般情况下信号与地引脚比率为8:1(认为电源引脚数=地
引脚数)；超高速互连则要求这一比率为2:1。
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信号完整性的许多问题，源自返回路径设计不当。 要认真设计信号之外其他路径的几何形状 (它影响特
性阻抗和耦合等)。
以往把某一路径称作地时，我们已经将它默认地 看成是所有电流的汇合处。 隐喻是中央“地”，即： 返回电流流进这里，又从这里流向别处。这是一种完 全错误的观点! 事实上，只要情况允许，信号的返回路径总会选 择尽量靠近信号路径。
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图7.2
不再使用“地”这个词，能避免许多问题
图7.2 强调不能笼统地“接地”，要设计返回路径，才能有 解决问题的思路。追朔其根源：是原理图上只有地而没 有返回路径，从而对版图设计造成极大误引导。 返回路径有时可能是个电源平面，如Vcc或Vdd平面；有时 是一个低电平平面 (但不是传统意义上的“地”)。原理图 设计中，可能仍然被标记为地。 PCB 版图对 SI 设计很重 要，不能看作是无关紧要的布板、勒版(Layout)。
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7.2
。
信号
在分析信号与互连的相互作用时，两导线同等重要
有时两条线一样，如双绞线，信号路径与返回路径 没有严格的区分。可以将任意一条视为信号路径，而另 一条为返回路径(这进一步地颠覆了“地”的概念)。 如果两条导线不相同，如微带线，我们通常把较窄 的那条叫做信号路径，而把平面称为返回路径。
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信号进入传输线后，以材料中光(电磁)速沿传输线向 前移动。信号通常是指信号路径和返回路径相邻两点间 的电压 (根据 传输线阻抗，可以算出电流。因此，信号可以
是电压或电流)，如图7.3所示。
图7.3 某时刻上升边信号波形,信号是指信号线和返回线两点间的电压 9

7.3
均匀传输线
• 均匀性 传输线几何结构有两个基本特征：导线沿线横截面的均 匀程度和两导线的相似/对称程度。 如果导线上任何一处的横截面相同，如同轴电缆，称这 种传输线为均匀传输线。
均匀传输线也称为可控阻抗传输线，如:双绞线、 微带线、带状线和共面线。 图7.4给出了各种均匀传输
线。
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图7.4
互连中常用的各种均匀传输线横截面示例
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• 对称性 如果两导线的形状和大小都一样，又称为对称传输线。 双绞线是一种对称传输线。共面线是同一层并列的两条线 ，也是对称传输线。 同轴电缆则是非对称传输线，因为它的中心导线要比外 面的导体要小。 微带线也是一种非对称传输线，因为两条导线的宽度不 一样，一条比较窄，另一条比较宽。 同理，带状线也是非对称传输线。
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• 非均匀性
高速互连必须设计成均匀传输线，减小非均匀传输线长度。因为 均匀传输线的阻抗是可控的，反射较小。
整条导线中，若结构或材料在某一局部出现改变，如遇 线间距改变或连接件，互连就成为非均匀传输线了。 连接件，如双列直插封装(DIP)或扁平封装(QFP)中一对 引脚形成非均匀；PCB板上线条如果局部返回路径上有间隙 或信号线临近某导体，也可能非均匀。我们在设计IEEE1394、
USB接口时就出现过此类现象，要把不均匀长度控制的比较短即可。
如果非均匀走线足够短，就不会引起信号完整性问题。
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• 返回路径 传输线只有一个功能：在系统所容许的不完整限度 内，把信号从一端传输到另一端。计较是均匀还是非均 匀，对称还是非对称，主要看它对信号的影响程度。
大多数情况下，是返回路径的非均匀结构严重影响“地弹”和电 磁干扰问题。
因为，EMI产生的主要源头就是共模电流。而形成共 模电流的一个原因就是地弹。所以，焦点还是设计好传 输线的返回路径，减小SSN。
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7.5
传输线上信号的速度
注意，铜导体电子的速度并不是信号的速度！ 信号的传播速度就是电磁波在介质中的传播速度！ 如图7.6所示，信号是指信号路径与返回路径之间的电 压(或电流)。 传输线上的信号电压使得两导线之间产生电场。 两导体之间的电流回路产生了磁场。
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