PCB板上多长的走线才是传输线？答案是……

wushy

传输线的定义是有信号回流的信号线（由两条一定长度导线组成，一条是信号传播路径，另一条是信号返回路径），最常见的传输线也就是我们PCB板上的走线。那么，PCB板上多长的走线才是传输线呢？


% M. Q9 d' W, V" Y8 H( ]: qPCB板上多长的走线才是传输线？
) D: t) V* E1 [

( K3 [' ~, b- Z  T5 ?% Z
　　这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。

: Q2 g& S# i, [4 x

　　我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况。假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。


　　信号在这条走线上向前传播，传输到走线尽头需要10ns，返回到源端又需要10ns，则总的往返时间是20ns。如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话，返回路径上应该没有电流，因为在远端是开路的。但实际情况却不是这样，返回路径在信号上后最初的一段时间有电流。

' Q. G: p$ `. v2 {0 g* h! B( ^

3 z3 g" h, ^9 f( Z5 m9 s5 y　　在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号还线条上只走了6英寸，不知道远端是开路还是短路，那么信号感觉到的阻抗有多大，怎么确定？如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾，所以，必须按传输线处理。



　　实际上，在信号线条和返回地平面间存在寄生电容，如图2所示。当信号向前传播过程中，A点处电压不断不变化，对于寄生电容来说，变化的电压意味着产生电流，方向如图中虚线所示。因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗，寄生电容构成了电流回流的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗，这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的，通常叫做传输线的瞬态阻抗。


　　当信号到达远端，远端的电压升至信号的最终电压后，电压不再变化。虽然寄生电容还是存在，但是没有电压的变化，电容相当于开路，这对应的就是直流情况。


) g& t* X! |  z& F. ^
　　因此，这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样，在起始一小段时间内，表现就是传输线。即使传输线远端开路，在信号跳变期间，传输线前段的性能也会像一个阻值有限的电阻。
- A: G1 m- K: y# w3 D


" L; d* _. W% x* l8 ^- o5 J知识扩展：传输线阻抗



$ ?( y+ Q4 l* y/ Q: r" L　　先来澄清几个概念，我们经常会看到阻抗、特性阻抗、瞬时阻抗，严格来讲，他们是有区别的，但是万变不离其宗，它们仍然是阻抗的基本定义：
  Y  t6 M) N" J1 O: K
　　将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗；
' ]$ |8 m" q9 d# R% u% q, [7 Q
　　将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗；

( m# A7 p$ r' b# R! w　　如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗。
$ f9 o- t8 u0 U* p! N" \; m6 ^1 y3 B
/ n& v3 h7 i9 `" @& j. [: k% S& y% P

特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗，这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。

　　如果没有特殊说明，一般用特性阻抗来统称传输线阻抗。

grand

信号在这条走线上向前传播，传输到走线尽头需要10ns，返回到源端又需要10ns，则总的往返时间是20ns。如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话，返回路径上应该没有电流，因为在远端是开路的。但实际情况却不是这样，返回路径在信号上后最初的一段时间有电流。

rural

当信号到达远端，远端的电压升至信号的最终电压后，电压不再变化。虽然寄生电容还是存在，但是没有电压的变化，电容相当于开路，这对应的就是直流情况。

bow

在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号还线条上只走了6英寸，不知道远端是开路还是短路，那么信号感觉到的阻抗有多大，怎么确定？如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾，所以，必须按传输线处理。