信号完整性基础--传输线（一）
从今天开始将会为大家陆续分享《信号完整性》相关知识，包括理论知识、仿真工具实操等。欢迎感兴趣的同学加入进来一起探讨交流。当然，我的分享更加侧重经验结论和工程实践性，因此舍去了很多复杂的推导过程。如果有想了解具体推导过程的，可以留言，我会单独出文章介绍。更多精彩内容请关注微信公众号：工程师说硬件。
接下来开启今天的第一章节传输线相关知识的讲解。
01基本概念
（1）简单来说，传输线就是提供信号传输和回流的一组导体结构。常见的传输线有双绞线，同轴线，pcb走线中的微带线、带状线、共面波导，如图1所示结构示意图。
图1 常见传输线结构示意图
（2）入射电流和返回电流大小相等，方向相反。返回电流是通过磁场耦合产生的，当具有多个返回路径时，返回路径与信号的距离很大程度上决定了返回电流的大小。如图2、3所示ads仿真实验：入射电流、临近线和参考平面返回电流。
图2、3 ads仿真：入射电流、临近线和参考平面返回电流
（3）参考平面一定要是gnd吗？这是困扰很多工程师尤其是小白的一个问题。参考平面为信号回流提供返回路径，只要是导体就行，对于电气网络理论上并无要求。比如，常见的ddr走线设计中，一般都用电源层作为ddr信号的参考平面。
那么为什么大多数的设计仍然竭力寻求用gnd作参考平面？第一，因为多数芯片设计中高速信号都是参考地网络，如果中途使用电源作为部分参考平面，不可避免会遇到跨平面分割的问题，可能造成信号阻抗不连续，进而影响信号质量；第二，则是避免emi问题。
如图4所示，信号在第一层时参考了gnd平面，在第四层时，参考了power平面，信号回流最终通过电容耦合回到gnd，形成了完整的回流路径。但由于去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积，从而影响信号质量，所以对于多数高速信号，参考gnd是比较好的选择。
图4 参考平面选择
02时域和频域
时域用以描述波形随着时间的变化；频域则是时域对应的数学变换，用以表示波形的幅度。
周期信号可以分解为一系列余弦信号的叠加（傅里叶级数展开），叠加次数越多，波形越陡峭。如图5、6所示不同边沿时域波形的频域展开。
频域中低频分量影响幅度，高频分量影响边沿。因此评估信号的带宽取决于信号的边沿时间，而不是频率。
图5、6 ads仿真：不同边沿下时域波形和频域级数展开
03高速信号定义与带宽
（1）定义：通常边沿时间小于4~6倍传输延时的信号称为高速信号。
以6倍为例：100ps上升沿信号，信号在fr4板材传输速率通常为6mil/ps。所以当信号走线长度>(100ps/6*6mil/ps=100mil)时，该信号为高速信号。
（2）当信号走线很短或上升沿很缓，不构成达到高速信号的条件时，这些信号线遇到阻抗不匹配或是其他情况，对波形质量影响很小。如图7、8所示，不同边沿和走线长度对信号的影响。
图7、8 ads仿真：不同边沿和走线长度对信号的影响
（3）带宽估算经验法则：0.35/tr，例：上升时间100ps的信号，带宽约为3.5ghz；某些要求严格的场合，计算公式可取：0.5/tr。
1、滤波器的设计中，经常使用到带宽概念；
2、对高速信号进行参数提取的时候必须考虑导信号的带宽，合理的带宽能降低软件的计算时间，同时保证信息的准确性。
图9 10g信号不同提取带宽下的波形展示
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图1 常见传输线结构示意图
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图2、3 ads仿真：入射电流、临近线和参考平面返回电流
（3）参考平面一定要是gnd吗？这是困扰很多工程师尤其是小白的一个问题。参考平面为信号回流提供返回路径，只要是导体就行，对于电气网络理论上并无要求。比如，常见的ddr走线设计中，一般都用电源层作为ddr信号的参考平面。
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如图4所示，信号在第一层时参考了gnd平面，在第四层时，参考了power平面，信号回流最终通过电容耦合回到gnd，形成了完整的回流路径。但由于去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积，从而影响信号质量，所以对于多数高速信号，参考gnd是比较好的选择。
图4 参考平面选择
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图5、6 ads仿真：不同边沿下时域波形和频域级数展开
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（2）当信号走线很短或上升沿很缓，不构成达到高速信号的条件时，这些信号线遇到阻抗不匹配或是其他情况，对波形质量影响很小。如图7、8所示，不同边沿和走线长度对信号的影响。
图7、8 ads仿真：不同边沿和走线长度对信号的影响
（3）带宽估算经验法则：0.35/tr，例：上升时间100ps的信号，带宽约为3.5ghz；某些要求严格的场合，计算公式可取：0.5/tr。
1、滤波器的设计中，经常使用到带宽概念；
2、对高速信号进行参数提取的时候必须考虑导信号的带宽，合理的带宽能降低软件的计算时间，同时保证信息的准确性。
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