传输线理论

常见的传输线的类型:

a、单端传输线

b、差分传输线

c、微带线(microstrip)

d、带状线(stripline)

图形示例及描述:

单端传输线:

单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下:

*与迹线到参考平面的距离(介质层厚度)成正比

*与迹线的线宽成反比

*与迹线的高度成反比

*与介电常数的平方根成反比

单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为 25Ω至120Ω,几个较常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω

差分传输线:

差分(通常称为平衡式)传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频率要求较高的情况。在差分模式中,传输线路是成对布放的,两条线路上传输的信号电压、电流值相等,但相位(极性)相反。由于信号在一对迹线中进行传输,在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另一条迹线上出现的电子噪声完全相同(并非反向),两条线路之间生成的场将相互抵消,因此与单端非平衡式传输线相比,只产生极小的地线回路噪声,并且减少了外部噪声的问题。

差分传输线的特性阻抗(差分阻抗)指的是差分传输线中两条导线之间的阻抗,它与差分传输线中每条导线对地的特性阻抗是有区别的,主要表现为:

1)间距很远的差分对信号,其特性阻抗是单个信号线对地特性阻抗的两倍。
2)间距较近的差分对信号,其特性阻抗比单个信号线对地特性阻抗的两倍小。
3)其它因素保持不变时,差分对信号之间的间距越小其特性阻抗越低(差分阻抗与差份线队之间的间距成反比)。
4)传输线特性阻抗通常情况下为100Ω,有时也用到75Ω。

微带线:

它由一根带状导线与地平面构成,中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的,其精确度将在±5%之内。


可见,传输延迟仅取决于介电常数,而与线宽或间隔无关。对FR-4板(εr≅4.5),信号传输速度约为15cm/ns。

带状线:


带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度,介质的介电常数,以及两层接地平面的距离都是可控的,则线的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之内。

理论上,带状线的特性阻抗为:


若w/(b-t)<0.35和t/b<0.25,这个方程被证明是足够精确的。

带状线的传输延迟为:


对FR-4板(εr≅4.5),信号传输速度约为12cm/ns。同样,传输延迟与线宽或间距无关。

传输线的微分线段I的等效电路描述如下:


而传输线的等效电路是无数个上边的微分线段的等效电路的串联。线上任意一点的电压与电流都是入射波与反射波的叠加。


传输线按模型的结构可分为:理想传输线和有损传输线。



特征阻抗:

特征阻抗是传输线分布电容与电感的等效,它的物理意义为入射波电压与电流的比值或反射波电压与电流的比值。

当频率足够高时(f≥100KHZ),对模型进行简化与推导,得出特性阻抗的计算公式。

Z_0= √(L/C)

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