嵌入式传输线的物理基础省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第,7,章 传输线物理基础,传输线概述,传输线零阶模型,传输线一阶模型,第1页,2,传输线概述,传输线类型,传输线特征参数,第2页,3,传输线类型,双铰线,同轴电缆,共面线,微带线,嵌入式微带线,带状线,非对称带状线,均匀传输线？,平衡传输线？,导线上任何一处横截面都相同,信号路径与返回路径完全一样,第3页,4,传输线特征参数,信号速度,瞬态阻抗与特征阻抗,第4页,5,1.,信号速度,信号是指传输线闭合路径上电压（差），闭合回路中电压是电流流过阻抗时产生，电流是电荷流动形成，那么电荷流动速度是否就是信号速度？,PCB,上铜导线或任何其它导线回路,第5页,6,1.,信号速度,电子在铜导线中速度,D,Q,：,时间段内流过电量，,D,t,：,时间段，单位为,s,q,：,一个电子所带电量，,n,：,自由电子密度，,#/m3,A,：,导线横截面积，单位为,m2,V,：,导线中电子速度，单位为,m/s,第6页,7,1.,信号速度,电子在铜导线中速度,每个铜原子能提供两个自由电子，铜原子之间距离为,1 nm,，自由电子密度,n,，,n 10,27,/m,3,直径为,1 mm,导线，横截面积约为,A 10,-6,m,2第7页,8,1.,信号速度,信号,是信号路径与返回路径之间,电压差，,当信号在传输线上传输时，两导线之间就会产生电压，而这个电压又使两导线之间,产生电场,。,电流必须在信号路径和返回路径上流动，两导体之间电流回路,产生磁场,。,改变电场激发磁场，改变磁场激发电场,第8页,9,1.,信号速度,信号路径与返回路径间电磁场建立速度与传输速度决定信号速度，信号速度就是电磁波传输速度。,信号速度,e,0,：自由空间介电常数，,8.89,10,-,12,F/m,E,r,：,材料相对介电常数,m,0,：,自由空间导磁率，,4,p,10,-7,H/m,m,r,：,材料相对导磁率,第9页,10,1.,信号速度信号速度,经验法则：绝大多数互连线中光速约为,12 in/ns/sqrt(4)=6 in/ns,。,电路板上互连线中信号速度约为,6 in/ns,。,第10页,11,1.,信号速度,时延,TD,连线时延（每英寸长度互连线时延,ps,数）,PD=1/v,第11页,12,1.,信号速度,信号前沿空间延伸,d,表示上升时间空间延伸，单位为,in,RT,表示信号上升时间，单位为,ns,v,表示信号速度，单位为,in/ns,第12页,13,2.,瞬态阻抗与特征阻抗,传输线上信号前沿探测到电压与电流之比称为传输线,瞬态阻抗,信号前沿电流,瞬态阻抗由信号速度和单位长度电容决定。,均匀传输线上各处瞬态阻抗恒定，称为,特征阻抗,瞬态阻抗改变时，反射发生，信号完整性受到破坏,1V,第13页,14,第,7,章 传输线物理基础,传输线概述,传输线零阶模型,传输线一阶模型,第14页,15,传输线零阶模型,零阶模型,著明特征阻抗,传输线阻抗,传输线驱动,返回路径,第15页,16,1.,零阶模型,电容容量,每步从脚底流出电流,传输线零阶模型。由一系列电容组成，每走一步就使一个电容充上电，电容之间跨度就是我们步长。,Q,：每步电量；,C,：,每步电容,D,t,：,从一个电容跨到另一个电容时间；,C,L,：,传输线单位长度电容量；,D,x,：,电容间跨度或步长；,V,：,信号速度；,V,：,信号电压,第16页,17,1.,零阶模型,瞬态阻抗,特征阻抗,：特征阻抗是描述由几何结构和材料决定传输线特征一个物理量，它等于信号沿均匀传输线传输时所受到瞬态阻抗。,第17页,18,1.,零阶模型,可控阻抗,:,沿线特征阻抗是一个常量传输线称为可控阻抗传输线。假如一块电路板上全部互连线都是可控阻抗传输线，而且有相同特征阻抗，就把这块电路板叫做可控阻抗电路板。,双绞线、同轴线、微带线、带状线都是可控阻抗传输线。可控阻抗互连线惟一条件就是：横截面是恒定不变。,第18页,19,1.,零阶模型,特征阻抗随线宽及介质厚度关系,线宽增加，单位长度电容就增加，对应特征阻抗就下降；假如介质厚度增加，单位长度电容就减小，对应特征阻抗就增大。,5miles,第19页,20,2.,著明特征阻抗,特征阻抗高，轻易制造，价格低，但串扰严重。特征阻抗低，串扰小，对接插件、元件和过孔引发时延累加不敏感，但功耗高，成本高。,50,是最正确特征阻抗。,一些常见可控阻抗传输线以及它们特征阻抗,电视天线,电视电缆,双铰线,自由空间,377,W,第20页,21,3.,传输线阻抗,传输线阻抗：从驱动器测量进入传输线前端信号得到阻抗，它随时间而改变。对于相同传输线，依据末端连接情况、传输线长度和测量方法不一样，能够是短路，能够是开路，也能够是开路与短路之间任意值。,用欧姆表测量一段,RG58,电缆线输入阻抗,第21页,22,3.,传输线阻抗,从传输线一端看进去阻抗是随时间而改变。在信号往返时间之内，所测量到阻抗就是特征阻抗。假如等候时间足够长，测量到阻抗将会是开路。,第22页,23,4.,传输线驱动,传输线驱动,V,launched,：,加到传输线上电压,V,output,：,驱动器驱动开路电路时输出电压,R,source,：,驱动器输出源电阻,Z,0,=,传输线特征阻抗,第23页,24,5.,返回路径,返回电流何时返回,返回电流分布,参考平面非相邻平面,参考平面换层,第24页,25,返回电流何时返回,把电流加到传输线信号路径上，返回电流何时从返回路径上返回？若单程,1s,，是否需,2s,才能回到源端？,第25页,26,返回电流何时返回,用零阶模型进行分析,电流在信号电压改变地方（,dV/dt,不为零），从信号路径流到返回路径上，从返回路径回到源端。,第26页,27,返回电流分布,返回路径通常是平面，电流在平面上怎样分布？,在,10 MHz,和,100 MHz,时，微带线和带状线信号路径和返回路径中电流分布。两种情况中，导线为,1,盎司铜，线宽为,5 mil,。图中颜色越淡，电流密度越大,第27页,28,返回电流分布,第28页,29,参考平面非相邻平面,参考平面非相邻平面时返回电流怎样走？,电流分布总是趋向于减小回路阻抗,第29页,30,参考平面非相邻平面,信号路径上电流在悬空中间平面上表面感应出涡流，底平面返回电流又在中间平面下表面感应出涡流。这些感应涡流在中间平面上靠近信号电流和返回电流输入端那一边相联通。,第30页,31,参考平面非相邻平面,从传输线看进去，驱动器在信号路径与底平面之间受到阻抗为多少？,两平面阻抗,Z,2-3,越小，信号受到阻抗就越靠近于,Z,1-2,。,第31页,32,参考平面非相邻平面,假设,h 3.5,1/0.5=7,。,第63页,64,3.,带宽与节数,当给定上升时间,RT,（,ns,）时，,n,节,LC,集总电路模型要到达足够高带宽，每节,LC,电路对应线长（英寸）必须小于,1.7 RT in,。,第64页,65,4.,特征阻抗与频率关系,从传输线前端看进去阻抗与频率有亲密关系。那么特征阻抗是否也随频率而改变呢,因为趋肤效应，特征阻抗伴随频率而改变。导线为,FR4,板上,1,盎司铜制成,50,W,微带线,在低频时，特征阻抗比较高，约在,1 MHz,开始下降，且直到,50 MHz,以前都一直在下降。从直流到高频，特征阻抗总下降量约为,7,W,，即改变小于,15%,。,第65页,66,第,7,章 传输线物理基础,传输线概述,传输线零阶模型,传输线一阶模型,第66页,67,第,7,章 传输线物理基础,要求,惯用传输线类型,双铰线,同轴电缆,共面线,微带线,嵌入式微带线,带状线,非对称带状线,均匀传输线,平衡传输线,第67页,68,传输线特征参数,信号速度,(,电子速度？电磁波速度？,),时延,瞬态阻抗,特征阻抗,阻抗,FR4 V=6 in/ns,随时间改变，与终端状态相关,第68页,69,零阶模型,模型,瞬态阻抗,特征阻抗,返回电流分析,返回电流何时返回,返回电流分布,返回电流路径,参考平参换层时返回路径改变，易引发阻抗改变,第69页,70,一阶模型,模型,瞬态阻抗,特征阻抗,时延,单位长度电容,单位长度电感,总电容,总电感,FR4,：,C,L,=83/50,2=3.3 pF/in,L,L,=0.083,50,2=8.3 nH/in,第70页,71,一阶模型,带宽与节数,第71页,