基础电路设计(6)传输线路与高速电路的设计技巧.doc

基础电路设计(六)传输线路与高速电路设计技巧前言类似CPU等超高速、高频电子组件相继问世,过去经常被忽视整合问题,例如信号传输波形优化,最近成为非常重要课题之一。电子组件动作高速化使得封装上必需面对更多短期内不易获得解答挑战,因此利用模拟剖析作事前检讨与对策,成为设计上不可欠缺手法。所谓超高速、高频化具体而言例如PC、PDA、因特网、光通信、无线LAN等电子产品,事实上已经成为日常生活中一部份,有鉴于此,接着要介绍信号传输线路问题点,同时深入剖析高速电路设计技巧。 传输线路电荷与电位分布线路传输高频信号时,线路长度与信号频率波长两者微妙关系已经成为无法忽视课题,例如传输线路会会因频率会呈现天线效应产生噪讯放射现象,进而影响电子机器正常动作等等。图1是每单位波长传输线路特性,由图可知负载端出现信号振幅与信号源振幅相同时,信号位相则呈现延迟,假设该信号是高频波时,图1振幅与位相会因传输线路位置产生差异。虽然理想状态希望信号源振幅、位相与负载端完全相同,不过高频波一旦产生上述差异时,就无法忽视两者关系。图1传输线路电荷与电位分布当传输线路长度增加时,即使是低频波同样会因信号波长产生与上述相同且无法忽视问题,例如频率为1KHz时是300Km,依此推算祇要超过300Km,低频波也会产生相同天线效应与噪讯干预现象。这正是影响导体长度波长越来越高频化之后,传输线路设计也越来越困难主要原因。一般认为传输线路长度与波长关系大约是1/100以上,也就是说传输线路长度低于波长1/100以下,理论上就不会产生上述困扰,然而实际上不可能有如此长度传输线路。如图1所示如果两线路之间产生电位差,两线路之间就会发生电界,随着电荷变化就会出现高频波流动(亦即电流),它可视为磁界变化,因此随着电界与磁界,行进波会流入负载端,如果传输线路阻抗为不整合状态时,负载端就会产生反射波(亦即反射电力),造成行进波与反射波相互干扰,进而在传输线路上形成类似静止状波形山谷(亦即定常波),使得传输线路具有频率特性。当传输线路为时,干涉所产生波长成为共振状态,传输线路就成为发射噪讯天线,进而严重影响电子机器正常动作,也就是说具有电界、磁界高频波电流流动所产生电磁界,经常超越预料将强烈电波放射至周围空间。传输线路与反射系数如果将传输线路、信号源与负载端加以整合,就不会发生反射与信号劣化等问题。在高频波领域不能用低频波思维将传输线路当作0奥姆阻抗,而是必需将它视为一种电子组件(特性阻抗ZoΩ),也就是说传输高频信号整合时驱动侧IC祇能见到传输线路负载,为了高速驱动特性阻抗Zo具有50~100Ω负载,因此设计上必需考虑驱动能力所造成负担。【计算例1】试算25pF负载,1ns时间内提升至5V时,驱动侧需求电流。电流可由下式求得:                      亦即变化越快所需电流I也越多,相对噪讯也越大。事实上电路要完全取得整合相当困难,反射所产生阻抗不整合,会因信号源电力未被负载消耗,变成反射波折返至信号源。由于反射波是朝着信号源传输线路方向传播,随着传输线路长度改变,信号源侧与负载侧位相差异也越明显。 一般而言该反射系数并非电力反射系数,因此它是使用表示负载端入射波与反射波两者比,亦即使用电压反射系数表示,电压反射系数可由下式求得:亦即变化越快所需电流I也越多,相对噪讯也越大。事实上电路要完全取得整合相当困难,反射所产生阻抗不整合,会因信号源电力未被负载消耗,变成反射波折返至信号源。由于反射波是朝着信号源传输线路方向传播,随着传输线路长度改变,信号源侧与负载侧位相差异也越明显。 一般而言该反射系数并非电力反射系数,因此它是使用表示负载端入射波与反射波两者比,亦即使用电压反射系数表示,电压反射系数可由下式求得:                              实际上电路负载几乎不会是纯阻抗而是复素数,因此反射系数也成为复素数。【计算例2】由上述计算结果获得以下结论:,反射系数会随着位置变化。。。换言之从信号源观之反射波比入射波延迟,因此反射系数是反复波长λ1/2周期,而负载阻抗则呈现不断变化状态。图2传输线路与反射系数互动关系  Stripline信号延迟图3是印刷电路板Stripline特性阻抗Zo关系式与传播延迟时间关系式。假设电路板条件分别是:          ::由以上计算结果可知该印刷电路板特性阻抗Z为5,。图3印刷电路板Stripline特性阻抗Zo,与传播延迟时间计算公式【计算例3】试算长度为200mmstripline所构成印刷电路板,从信号源到达负载所产生信号