邵小桃-电磁兼容和PCB设计Ch(V)

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1、第4章信号完整性分析电磁兼容与PCB设计信号完整性概述传输线理论相对介电常数与传播速度反射和衰减振荡串扰PCB终端匹配的方法信号完整性常用设计工具介绍本章内容4.1信号完整性概述信号完整性（SignalIntegrity，简称SI）是指信号线上的信号质量。主要的信号完整性问题：反射振荡地弹串扰4.2传输线理论1.传输线概述定义：用来将电磁能从一处传输到另一处的装置称导波系统或传输线。通常可分为三类：PCB中的传输线包括微带线和带状线。微带线又包括单线微带线，嵌入式微带线；带状线包括单带状线和双带状线。TE

2、M波传输线：如双波导，同轴线，微带线波导传输线：如矩形波导，圆形波导表面波传输线：如介质波导（常见的光纤）2.PCB内传输线的等效电路传输线由它的特性阻抗和传输延迟描述，这些参数取决于每单位长度的电感和电容、实际的互连元件、互连的物理尺寸、RF回路及它们之间绝缘体的介电常数。有损耗均匀传输线等效电路PCB均匀无耗传输线电路模型无损耗传输线的特性阻抗:无损耗传输线的传输延迟：3.传输线效应电气长线(电长走线)：tr:为信号上升时间tpd:为信号线传播延时时域:传播时延大于信号上升延时间的1/4频域:线路长度

3、大于信号的信号落在安全区域，按低频集中参数分析当信号线长度小于，或tpd≤tr/4当信号线长度大于，或tpd≥tr/4信号落在问题区域，信号线当做传输线，应使用高速布线方法。尺寸<λ/20尺寸>λ/20集总电路分布电路不需匹配可能要匹配不要控制Z0需控制Z0电磁辐射小可能有电磁辐射对于边沿速率为1ns的信号，任何等于或大于9cm的传输线可视为电气长线。4.3相对介电常数与传播速度在电磁场与波中的，我们学过介质或材料的三个重要参数：介电常数又被称为相关电容率，可以衡量每单位电场中介质材料区域存储能量的大小。

4、1.介电常数介电常数　：表示媒质的极化特性电导率　：表示媒质的导电特性磁导率　：表示媒质的磁化特性介质材料相对介电常数传输时延（ps/in）空气1.085FR-4（PCB）微带线2.8~4.5141~167FR-4（PCB）带状线4.5180Alumina（PCB）带状线8~10240~270同轴电缆（65%速率）2.3129同轴电缆（75%速率）1.8113不同介质中的传输时延和相对介电常数电磁波的传播速度取决于周围的传输媒质，传播时延与PCB的传播速度成反比。C为光速，，为传播速度2.传播速度如微带线

5、的传输延迟：常用几种PCB材料的相对介电常数、传播速度、和传播时延如下所示。（在1MHz下测出）材料相对介电常数(F/m)传播速度(in/ns)传播时延(ps/in)空气1.011.8184.7FR-44.15.83171.4PTFE2.27.96125.6(聚四氟乙烯)4.4反射和衰减振荡走线宽度的变化走线阻抗的变化网络终端不匹配缺少终端布线层间的导孔变化的负载和逻辑器件大电源平面不连续1.反射:反射是数据逻辑设计中不期望有的副产品。走线上信号的反射是网络中RF噪声的来源之一。当走线上的阻抗不连续，就会

6、产生反射，阻抗不连续有一下几种：传输线产生的反射效应:过冲和欠冲:如果负载与传输线不匹配，电压波形将被反射回源端，反射电压为Vr，反射系数为Kr,定义式如下Vr为反射电压；V0为源电压；ZL为负载阻抗；Z0为特性阻抗2.反射电压和反射系数当负载开路：当负载短路:当负载匹配：当负载开路或短路时，信号全反射；负载匹配是最佳传输状态。3.典型的传输线系统V源ZoutZloadZoVsourceVload当信号沿传输线传播时，源电压的一部分最初将沿走线传播，当互连终端的负载阻抗等于走线的特性阻抗时，信号无反射；如

7、果负载阻抗不等于走线的特性阻抗时，电压波形将被反射回源端。传输线获得最小反射的条件：传输线的特性阻抗=负载阻抗传输线获得最大能量传输的条件：Zout=Zo和Zo=Zload（保证每段阻抗相等）Zout=Zo=Zload（保证整个线路阻抗相等）电源的阻抗=传输线的特性阻抗=负载阻抗V源ZoutZloadZoVsourceVload传输线效应.T4T2T1T3T5T0Vr4Vr3Vr2Vr1V05、多重反射例：Z0=150欧，ZS=100欧,ZL=1000欧,E=5V，KL=0.74，KS=-0.2过冲和欠冲

8、:4.衰减振荡（振铃）衰减振荡是由于走线上明显的阻抗不匹配反射而产生的，它会损坏信号的质量并可能导致电路的功能失效。衰减振荡是反射的等效表现形式，对于无终端的传输线，衰减振荡和反射噪声是一样的。衰减振荡是一个阻尼正弦振荡或谐振。额外走线电感和负载电容是产生衰减振荡的原因。可通过附加串联电阻或提供正确的终端使衰减振荡最小化。4.5串扰高速走线模拟电路走线间外源串扰影响耦合RF能量I/O部分电路子系统出现功能问题1.串扰在一根信号