信号完整性研究系列--多长的走线才是传输线

来源：于争博士《信号完整性研究》http://www.sig007.com

       多长的走线才是传输线？

       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。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。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。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。