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高速电路PCB设计与传输线布局技巧解析

在讨论电路设计时,我们常听到“网络”和“传输线”这两个术语。这两个概念在低速电路中可能区别不大,但在处理高速信号时,它们之间的差异就变得至关重要。
首先,让我们从低速电路的概念入手。在网络中,不管信号是通过微带线、带状线、同轴电缆还是简单的跳线连接,只要连接方式得当,信号从一个元件的引脚到另一个元件的引脚,比如从引脚A到B、C、D,都可以实时且不失真地传递。这是因为在低速条件下,信号的变化足够缓慢,使得任何物理连接的变化对信号的完整性影响微乎其微。在这种理想化的情况下,我们可以将这些连接抽象成一个网络,即节点。
然而,当信号的速度提升到高速水平时,情况就完全不同了。一个信号从引脚A输出后,到达引脚D可能已经发生了严重的失真。不仅如此,我们还必须考虑到信号电流的返回路径,这在低速电路中往往被忽视。这就引入了传输线的概念。
传输线不仅仅是信号从一个地方到另一个地方的简单通道,它包括两条路径:信号路径和返回路径。信号路径是传输系统的一部分,而返回路径则是确保信号电流能够正确返回的通道。这两条路径共同构成了传输线的基本结构。
实际应用中,传输线的设计如图2所示,包括物理线路和电场效应。在高速电路中,金属互连线不能再被视为简单的网络节点,而是需要用具有特定电特性的元件来描述,比如特性阻抗和时延。同时,为了确保信号的正确传输,我们需要为这些金属互连线上的电流提供一个返回路径,并在两者之间形成电场。
微带线和带状线是传输线的两种常见形式。在PCB设计中,走线则是传输线信号路径的物理实现。例如,PCB表层的走线可以视为微带线的一部分,而层间的走线则是带状线的一部分。要实现有效的信号传输,必须为信号路径寻找一个返回路径。在PCB上,返回路径通常是参考平面或信号路径周围的其他导体,甚至可能是自由空间。
在高速电路设计中,我们经常面临的一个挑战是如何减少信号的延迟和失真。这就需要我们精确地设计传输线,包括它们的特性阻抗、长度和路径。此外,为了保持信号完整性,还需要仔细考虑信号的返回路径,确保电流可以顺利地回到源头。
总之,理解网络和传输线的区别是高速电路设计中的关键。只有当我们能够精确地处理这些物理连接时,才能确保电路在高速工作条件下仍然保持稳定和可靠。

严格地讲,网络是一个限于低速、集总参数电路的概念。如图1所示,不管元件Pl的引脚A到元件R1、P2、P3的B、C、D引脚互连用哪种物理连接(微带线、带状线、同轴电缆还是跳线),也不管中间是否经历过孔或是线宽变化,引脚B、C、D上都能实时和不失真地反映引脚A的波形变化。当然,这是一种理想状况,然而对于低速信号是合理的,因此,A、B、C、D之间的任何连接为一个网络(节点),如图1所示的黑线为网络Netl。

高速电路PCB设计与传输线布局技巧解析

但是,对于高速信号,如第3章所讲的就完全不是这样了,一个信号从引脚A输出,到达D可能完全失真,而且也完全不考虑信号电流是如何返回的,所以需引入传输线的概念。传输线的原理在第3章已有详细介绍,在此仅澄清概念上的混淆。

如图2所示,传输线用于信号从一个地方传输到另一个地方,它包括两条路径:信号路径和返回路径,信号路径只是构成信号传输系统的一部分。

高速电路PCB的网络和传输线是怎样设计的

图1 网络节点 图2 传输线由信号路径和返回路径组成

那么信号从一点到另一点,比如说从图1所示中的A到D不再是实时无失真的了,它们之间的任何金属互连线已经不能简单地抽象为一个网络节点,而必须用具有一定电特性的特性阻抗和时延的元件去描述,而且,还要为这条任何金属互连线上的电流找一个返回路径,两者之间还要形成电场,如图2所示的虚线箭头。这就是传输线和网络的区别,在高速电路中,几乎会遗忘网络中的一个概念:传输线。

微带线、带状线都只是传输线的一种形式。而走线则是这些传输线的信号路径在PCB上的物理实现,比如,PCB表层的走线就是微带线的一部分,而层间走线则是带状线的一部分,要实现信号传输,就要为它寻找一个返回路径,在PCB上的返回路径就是参考平面或信号路径周围的其他导体,甚至自由空间。

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