在传输线模型中模拟数字信号行为

从发电和传输到PCB中的高速信号线，电力系统中的传输线行为是考虑开关或振荡信号的一个重要点。如果PCB迹线表现为传输线行为，则需要使用传输线模型来模拟其终端网络和瞬态响应。这有助于确保您的信号没有振铃或其他信号完整性问题。

传输线模型:有损vs.无损

传输线可以用两种方式建模。理想的传输线是无损耗的，这意味着当电路传播时线路中没有电阻损耗。真正的传输线是有损耗的，这意味着信号所携带的一些电压在传播过程中被转换为热。这两个模型都是级联模型，这意味着传输线是通过将多个有损耗或无损耗电路串联起来来建模的。

一个无损传输线模型忽略电阻引起的欧姆损耗在铜迹和衬底中作为信号传播，传输线的每一部分被视为LC电路。这在较低的速度/较低的频率信号中变得重要，因为它决定了传输线阻抗随频率饱和到固定值的速率。

由于铜有一些小的电阻，并且由于PCB迹和它的接地面或返回线之间的介电不是一个完美的绝缘体，当信号沿着迹传播时将会有一些信号损失。这包括放置一个小电阻与电感串联，和一个大电阻与电容并联。注意，平行导体通常用电导G表示，电导G正好是衬底电阻的倒数。

有损和无损传输线模型

人们应该立即注意到有损耗传输线的4个参数中的3个与衬底的材料特性有关。所有这些参数都以每单位长度的轨迹表示。

• 电导G:这与衬底的导电性有关。

• 电容C:这取决于衬底的介电常数、迹的宽度以及到返回线或接地面的距离。

• 电感L这取决于衬底的相对磁导率、传输线所包围的区域和迹线的宽度。

如果你检查阻抗RLC网络在传输线模型中，很容易发现迹阻抗为:

传输线模型中的跟踪阻抗

注意，在高频极限下，有损耗传输线表现为无损耗传输线，阻抗与频率无关。每一个参数都可以通过考虑整个传输线的几何形状并除以每个元件的纵向长度来计算。这为传输线中的每个参数提供了非常好的近似。

报务员方程与传播延迟

定义电压和电流在轨迹上的行为的两个方程是电报员的方程:

报务员的方程

这里，x是沿着传输线的距离，t是时间。注意，这假设迹的横截面尺寸比沿迹传播的任何信号的波长小得多，因此可以忽略沿y和z的横向谐振和信号传播。对于一个典型的PCB轨迹，这是有效的高达几十太赫兹。这两个方程可以解耦成它们自己的波动方程:

有耗传输线模型中电压和电流的波动方程

这些方程表明衰减发生在电路中由于(RC + GL)项。在无损传输线(R = G = 0)的情况下，上述波动方程化为无损波动方程。这些方程假设无色散的线性齐次各向同性介质。

因为电磁信号以光速移动，所以信号在从源到负载的过程中会经历一些传播延迟。通过考虑沿迹传播的信号所看到的有效折射率可以得到传播延迟，也可以直接从电压和电流的波动方程．信号速度可以用有耗传输线模型中的电路元件表示:

沿有耗传输线的信号速度

从信号速度和迹长可以很容易地计算出传播延迟。同样，通过取G = R = 0可以找到无损情况。随着频率的增加，信号速度接近于无损速度。沿传输线的信号延迟必须包含在建模时基于spice的仿真信号传播。

识别数字信号完整性问题

传输线模型可以用来模拟信号传播的两个重要方面。首先，传输线模型是等效的LC或RLC网络，当信号切换时具有一定的瞬态响应。添加适当的串联终止电阻可以使响应从欠阻尼变为完全阻尼。这对于消除铃声非常重要。注意，这略微增加了在传输线负载端看到的信号上升/下降时间。

终端对于抑制传输线负载端信号反射很重要。这是指阻抗匹配传输线阻抗的负载。当有阻抗不连续时，信号可以反射负载的输入端口，这引起另一个瞬态响应，当信号沿着传输线传播回来。使用基于spice的模拟器允许您检查阻尼效应系列终端电阻或由终端网络提供的阻抗匹配。

在建模信号传播时，您需要指定负载阻抗，以便分析反射对信号完整性的影响。重复响由于传输线中的来回反射，负载处的电压会逐步上升。通过将负载与传输线进行阻抗匹配，可以消除这些问题。

即使线路被匹配的网络终止，在交换过程中仍然会出现振铃现象。您的目标应该是通过确保匹配的网络提供必要的阻尼级别来抑制振铃，从而防止振铃。当您检查来自基于spice的模拟器的输出时，您将能够测量传输线中RLC网络的阻尼常数和固有频率。这将帮助您设计匹配网络以抑制这些信号完整性问题。

示例负载时由于阻抗失配和多重反射而产生的振铃信号。这个信号有0.3 ns的总传播延迟。

现在您可以检查传输线模型的时域和频域响应，当您使用OrCAD PSpice软件模拟器从节奏．这个独特的包是建立电路设计和分析复杂PCB设计，允许您在原理图和/或PCB中轻松构建和分析复杂的电路模型。

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