信号完整性（SI）电源完整性（PI）学习笔记（九）传输线的物理基础（二）
传输线的物理基础（二）
1.传输线的输入阻抗与时间有关，他取决于测量时间相对于信号往返时间的长短。在信号往返时间内，传输线前端的阻抗就是传输线的特性阻抗；在往返时间之后，根据传输线末端负载的不同，输入阻抗可在零到无穷大之间变化。
2.传输线的瞬时阻抗： 就是信号沿传输线传播时所受到的阻抗。如果横截面是均匀的，沿线的瞬态阻抗就处处相等。但是在突变处，瞬态阻抗就会变化，比如在末端。如果末端开路，则当信号传播到末端时，它所受到的瞬态阻抗就为无穷大。如果有一分支，则信号在分支点处受到的瞬态阻抗就会下降。
传输线的特性阻抗： 是描述由几何结构和材料决定的传输线特征的一个物理量，它等于信号沿均匀传输线传播时所受到的瞬态阻抗。
在高速系统中，对驱动器来说．长度大于几英寸的互连线并不表现为开路，而是在信号跳变期间，它表现为一个纯电阻。当互连线足够长而显示出传输线性能时，驱动器受到的阻抗可能会随时间而变化这一特性将严重影响互连线上传播的信号的性能。
3.往返时间 是传输线的一个重要参数。对于驱动器来说，在这段时间内导线表现为电阻。
4.驱动器可以建模为一个高速开关的电压源和一个内阻：
5.为了使初始加到传输线上的电压更接近于源电压，驱动器的输出源电阻就必须很小，他的重要性仅次于传输线的特性阻抗。这要求驱动器的输出电阻与传输线的特性阻抗相比要非常小。
6.任何影响信号电流路径或者返回路径的因素都会影响信号受到的阻抗。无论是对于PCB，连接器还是集成电路IC，返回路径必须像信号路径一样认真设计。
7.正弦电流在微带线和带状线中两个重要特征：
（1）由于趋肤效应，信号电流只分布在导体表面；
（2）返回路径中的电流分布挤进信号路径下面而且频率越高，电流分布越挤进。
8.任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素，例如返回路径上有一个间隙，都会增加回路电感，并增加信号受到的瞬时阻抗，这将引起信号的失真。是返回路径控制着信号路径。
9.电流的分布总是趋向于减小信号路径到返回路径的回路阻抗。
10.返回路径中间隔了一个电气层：
驱动器连接在信号路径和底面上，驱动器受到的阻抗主要是由信号路径和他最近平面构成的传输线阻抗决定的。（无论邻近平面上的电压值是多少，这都是正确的）
11.对于多层板中的传输线，驱动器受到的阻抗主要由信号路径和与之最近构成的传输线的阻抗决定，而与实际连接在驱动器返回端的平面无关。
12.相对于信号路径与最近平面之间的阻抗，两平面之间的阻抗越小，驱动器收到的阻抗就越接近于信号路径与悬空平面之间的阻抗。设h<<w。两个长而宽的平面之间的特性阻抗可近似为：
当平面之间的阻抗远小于50Ω时，与驱动器直接相连的是那个平面已经无关紧要了，而对阻抗起主导作用的是与信号路径距离最近的那个平面。
13.减小相邻于相邻平面间阻抗的最重要方法就是尽量减小平面间介质的厚度。这不仅使得平面间的阻抗最小，而且使两平面紧密耦合。
如果平面间是紧耦合．并且它们之间的阻抗很小，则轨道塌陷不管怎样都很低。平面间的耦合为返回电流尽量接近信号电流提供了低阻抗路径。
14.信号路径中途切换层
如果两平面具有相同的电位，并且由过孔将他们短接，则返回电流就会走这条低阻抗路径。为了减小返回路径的压降，通常考虑在信号过孔旁增加一个返回过孔。
电流只能从平面之间的电容流过。返回电流围绕过孔转换到同一平面的另一表面上。此时电流在两平面的内表面上扩散开， 并通过两平面间的电容耦合。
15.无论返回电流什么时候在隔直流的平面之间切换，他都会在两平面之间实现耦合，其受到的阻抗等于两平面构成的传输线瞬时阻抗。
16.返回路径必须流过这个阻抗，所以返回路径上会产生压降，这一压降称为地弹。设法减小返回路径的阻抗，以便减小返回路径上的地弹噪声。
（1）尽量减小返回平面之间的阻抗；
（2）把他们放在相邻的位置，而且平面之间的介质尽量薄。
17.在两返回平面之间， 当返回电流以不断扩张的圆从信号过孔中心向外扩散时， 它受到的瞬时阻抗将不断减小。因为当圆的半径增加时， 单位长度电容就增加。
当信号在两平面间向外辐状传播时，为了计算信号受到的瞬时阻抗，要先计算出辐状传输线的单位长度电容和信号速度。信号感受到的单位长度电容就是半径增加单位长度时电容的增量。返回电流受到的总电容为：
其中：
C 表示平面间的耦合电容
ε0 表示自由空间的介电常数，其值为0.225 pF/m
εr 表示平面间材料的介电常数
πr2 表示两平面上返回电流的重叠面积
h 表示平面间的距离
r 表示耦合圆不断扩张的半径，扩展速度为光速
随着半径的增加，电容的增量（即单位长度电容）为：
随着返回电流远离过孔，电流受到的瞬态阻抗为：
随着返回电流远离过孔，单位长度电容会增加，也就是说，离过孔越远，返回电流受到的阻抗越低，这个阻抗两端的地弹电压也就越小。
由于返回电流以信号速度传播， 并且r=vt, 所以返回电流受到的阻抗（与信号电流受到的阻抗串联）与时间的关系为：
18.减小地弹电压的唯一方法就是减小返回路径的阻抗：
（1）当信号的路径转换层时，总要有一个有相同参考电压的相邻平面，并且在切换平面间的短路过孔应尽量靠近信号过孔；
（2）具有不同直流电压的参考平面间的距离应尽量薄；
（3）扩大相邻切换过孔的距离，以免在初始瞬间当返回路径的阻抗很高时，返回电流叠加在一起。有时认为，当两参考平面间切换返回电流时，在这两平面间并接一个去耦电容器，这样有助于减小返回路径的阻抗。
19.当在两参考平面上切换返回电流时，在这两个平面间并接一个去耦电容，有助于减小返回路径的阻抗。希望在两平面间连接的分立电容，能为返回电流从一个参考平面流到另一个参考平面提供一条低阻抗路径。
为了起到有效作用，在上升时间内，实际电容器必须使得两平面间的阻抗小于50Ωx5%=2.5Ω。
20.实际的电容都有相应的回路电感和等效串联电阻，这就限制了分立去耦电容在短上升时间信号中的作用。毕竟，在长时间之后或对于低频分量来说，平面间的阻抗仍然是很低的。
当使用分立电容器来减小返回路径的阻抗时，使用串联电感低的电容器比电容量大于1nF的电容器更有效。对于可以使用分立形式的高频元件，决定实际电容阻抗的井不是电容量，而是它的等效串联电感。（可采用IDC电容器）
有时候把相邻平面层之间的电压在电路板边沿之间的往返回荡称为两平面中间的谐振。
为了减小谐振电压，特别是小型多层封装中，避免返回电流在不同的平面间切换非常重要。相邻返回层的直流电压必须相同，而且应当在信号路径附近用过孔来连接返回路径。这样就可以避免在平面间注入电流，并避免平面谐振的产生。
