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PCB 设计中的传输线计算器
PCB 设计中的传输线计算器
传输线是使现代生活成为可能的那些看似复杂的事物之一。看似简单的金属电缆，实际上是精心设计的系统。PCB 上的痕迹也不例外，它们就像为电子设备供电的血管。
那么什么是传输线呢？该术语最初用于创建 PCB 上的走线和民用电源线之间的类比。术语“传输线”往往在没有太多上下文的情况下被抛出。并非 PCB 上的所有走线都是传输线，在某些情况下，传输线的设计规则变得很重要。
我的痕迹是传输线吗？
术语“传输线”是指 PCB 上走线的行为而非其结构。给定的迹线在某些条件下可能表现为传输线，而在其他条件下表现为简单的导体。
走线是否像传输线一样的答案取决于信号沿走线传播所需的时间。这个时间被称为线路延迟、传播延迟或传输延迟，所有这些术语都可以互换使用。
如果走线中的线路延迟远长于在走线上传输的数字信号的上升时间，那么走线将起到传输线的作用。对于模拟信号，上升时间为信号振荡周期的四分之一。在这两种情况下，每一端的走线和组件都需要阻抗匹配，以防止出现各种信号完整性问题。
输电线路
在线传输线计算器
如果您想要一种快速而肮脏的方法来设计具有特定阻抗值的走线，您可以使用在线传输线计算器。该工具可以计算多个关键参数，例如单位长度，用于描述不同排列的走线，包括微带线、嵌入式微带线和带状线走线。
您将开始注意到的一件事是，大多数在线传输线计算器完全忽略了传输线阻抗的频率依赖性。实际上，由于频率存在影响，并且该影响更明显取决于系统中的电阻、电容、电感和电导。
低频信号遇到的阻抗往往比高频阻抗对频率变化更敏感。一些在线传输线计算器并不总是允许您探索低频下的阻抗，它们通常假设您在高频下工作。
在非常高的频率下，如 RF 应用中使用的频率，这种频率依赖性会饱和到一个恒定值。因此，大多数在线计算器都假设您的工作频率足够高，可以忽略这种依赖性。
传输线计算器的一个重要输出是有效介电常数。该参数取决于走线的尺寸，以及导体和基板介电常数之间的对比。该参数与光纤中的有效折射率起着相同的作用，因为它决定了信号沿传输线传播的速度。
这是在线传输线计算器也很有用的地方。获得有效介电常数后，您可以使用它来计算走线中的线路延迟。在计算线路延迟并将其与您的信号上升时间进行比较后，您将得到关于您的走线是否真正作为传输线路运行的答案。
SPICE 仿真和传输线
SPICE 模拟器可用于检查 PCB 中的信号完整性问题，尤其是在高速、高频、HDI和低电流应用中。并非所有 SPICE 仿真都会直接返回传输线的阻抗值；它们将允许您诊断由走线和组件之间的阻抗不匹配引起的信号完整性问题。在线和桌面设计软件包可让您访问 SPICE 仿真。
由于金属元素被基板电介质隔开，所有 PCB 都有一些寄生电容和电感。使用 SPICE 仿真时，必须通过在等效电路模型中添加串联电容器和电感器以及并联位置来模拟寄生阻抗的影响。
典型的 SPICE 仿真不直接包括这一点，您必须在关键点添加电感器和电容器以考虑寄生电抗。更高级的 SPICE 模拟器直接考虑了这一点。寄生电容和电感可以直接根据 PCB 基板的介电常数和板上导体的排列来计算。
一个好的 SPICE 模型的输出是有用的，因为它允许您可视化诸如振铃、地弹、由于传播延迟导致的信号失配，甚至噪声耦合等问题。在制造之前诊断这些信号问题可以帮助您避免订购一批有缺陷的电路板。
此输出通常显示在电压（或电流）与时间的关系图上。这种类型的输出让您可以比较输入和输出信号强度、传播延迟和信号完整性。在频域中工作时，您可以看到定义输入和输出信号之间关系的传递函数。