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中国PCB 技术网翻译整理 tinyang、夹湾沟、阿鸣 第四章 非理想互连的问题 现代的技术已经朝着更高的速度和更小的封装发展，这是一种不可改变的趋势。随之而来，在以 前的数字设计过程中经常被认为微不足道或可以忽略的影响现在常常成为主要的设计焦点。在这些现 代设计中必须被考虑的新变量中，非理想效应就是其中的一个方面，比如频域衰耗、阻抗不连续和蛇 行线影响等等。这些高频的效应通常是很难模拟的，很多大学都正在不断地研究中。所以，随着系统 速度的突飞猛进，工程师们不仅要处理技术上的难点，还必须应对大量的可变因素。在这一章里我们 要解决许多由于非理想互连所带来的问题，它们都必须在现代设计中被考虑。这一章的焦点是过去的 设计中被极大忽略，而现在却成为关键的高速时的传输特性问题。这里提出的许多模型中也存在许多 缺点，就像过去简单模型中的缺点一样，这些需要在将来被修订。随着一些模型的调整，读者应该一 直明白这里有许多假设和近似被建立。 4.1. 传输线损耗 随着技术的进步，数字系统正朝着更小、更快的方向发展，器件封装和传输线的几何尺寸都在缩 小。而更小的尺寸和更高的频率会加剧传输线上的电阻损耗。因此，如何建模传输线上的电阻损耗变 得越来越重要。电阻损耗的结果是减小了信号的幅度，从而降低了数字系统的性能，比如会影响噪声 门限和减慢边沿速率，这最终都将会影响到时序裕量。在以前，由于系统工作在比较低的频率下，我 们可以忽略 PCB 和封装上的这种损耗，然而，现在就不同了，系统要求对损耗进行更严格的分析，因 为它们的存在，常常是导致数据互连性能恶化的首要原因。 4.1.1. 导体的直流损耗 正如第二章中所提到的，在传输线模型中有电阻性成分。这个电阻性成分存在的原因是由于在 PCB 上用于制造传输线的导体并不是完美的导体。微带线和带状线上的损耗能被分成两个部分：DC （直流）和AC（交流）损耗。当传输线的截面尺寸小，线很长，并且带多负载（也被称为多分支）时 应该特别关注直流损耗。例如，因为信号衰减，长距离的通讯铜线必须每隔几英里就加上中继器来接 收和重发数据。另外，在设计多处理器计算机系统时，也会面临电阻损耗的问题，这将损害逻辑门 限，并降低噪声裕量。 直流损耗主要由两个因素决定：导体的电阻率和电流流过的总面积。图 4.1 显示在直流（0Hz）时 微带线中的电流分布。电流流过导体的整个横截面，电阻性衰耗能用下面等式得到： (4.1) 这里 R 是线路上的总电阻， ρ 是导体材料的电阻率，单位为欧姆米（电导率的倒数），L 是线的 长度，W 为线宽，t 是导体厚度，A 为导体的横截面积。在传统设计中，地回流路径上的损耗在 dc 时 通常可以被忽略，因为它的横截面与信号线的相比要大的多。 中国PCB 技术网翻译整理 tinyang、夹湾沟、阿鸣 图 4.1: 直流时微带线中的电流密度图。直流时，电流流过完全的横截面，这里，A＝Wt 4.1.2. 介质上的直流损耗 因为被用在 PCB 上的介质材料不是完美的介质体，在信号导线和参考平面之间的介质材料上有电 阻存在，因而也有直流损耗。然而，对于传统基板来说，直流下的介质损耗通常非常的小以致可以忽 略不计。与频率相关的介质损耗将在 4.1.4 节中被讨论。 4.1.3. 趋肤效应 对低频的系统进行仿真时，仅仅考虑直流损耗就足够了，但是随着频率增加,随着数字信号频谱的 变化而带来的各种其它现象开始起主要作用。这些与频率相关的变量中，最重要的就是“趋肤效 应”，之所以这样命名，是因为在高频时，导体上的电流将趋于集中在导体外围或“皮肤”上。 频域电阻和电感 趋肤效应主要是表现为电阻和电感变化。在低频时，电阻和电感呈现直流值，但是随着频率的增 加，传输线横截面上的电流分布变得不均匀并向导体的外部移动。电流分布的改变使电阻随着频率的 平方根成比例增长，同时总电感渐渐回落到一个常值，即外部电感。 为了理解这种现象是如何发生的，我们可以假设一个信号在微带线上传输。图 2.3 中的横截面积 显示了高频信号在信号线和参考平面