前面已經(jīng)介紹了信號的特性、器件的電平標準、以及仿真模型（IBIS）相關(guān)知識。今天開始介紹信號的傳輸通道。

1、傳輸通道的簡介

首先，我們需要認識到幾乎所有SI問題都與傳輸通道（channel）的非理想特性相關(guān)。下圖是一個比較典型的背板傳輸?shù)睦印?/p>

我們可以看到一個完整的信號的傳輸通道包含了封裝布線、焊盤、過孔、PCB布線、背板連接器、背板布線等等從驅(qū)動芯片到接收芯片的線路中的所有組成部分。可見信號的傳輸通道并不是一條坦途，其中充滿了溝溝坎坎，稍有不慎就會導(dǎo)致SI問題。

那么，如何設(shè)計好傳輸通道呢？我們需要回過頭來復(fù)習(xí)一下之前講過的帶寬的知識。帶寬是聯(lián)系信號、通道、器件、測試設(shè)備的橋梁。

同樣帶寬也是設(shè)計好信號傳輸通道的關(guān)鍵。為什么這么說呢？仿真分析需要對傳輸通道進行建模，而模型的帶寬必須滿足信號帶寬的要求，這樣才能準確的預(yù)測信號通過輸出通道的行為。

l模型的帶寬（BW_model）：指的是模型在多寬的頻率范圍內(nèi)能夠精確的預(yù)測、仿真模擬它所表示的結(jié)構(gòu)的實際性能。

l比如說我們采用RLC的方式來建立一個過孔的模型，如下所示。這個過孔模型的帶寬也就是幾十ＭＨｚ而已。也就是說這個模型只能在幾十ＭＨｚ范圍內(nèi)反映過孔結(jié)構(gòu)的性能。

當(dāng)要傳輸?shù)男盘枎捝希牵龋鷷r，這個模型肯定是不行的，因為模型的帶寬比信號帶寬低得太多。 用這個模型仿真那就意味著，高于幾十ＭＨｚ的頻率分量都不能得到準確的仿真結(jié)果。

2 無源通道的建模

無源通道的建模實際上就是一個頻域分析的過程。

我們要保證模型的精度，就必須對一些仿真軟件有所了解，針對不同的信號選擇不同的仿真軟件。因為不同軟件的模型帶寬不同，仿真軟件根據(jù)建模方式不同大體有２D、２.５D、３D這三種工具。其中肯定是３D建模工具精度、帶寬最高，既然這樣無論仿真什么信號都用３D工具不就行了。我們要明白，精度的提升是要付出代價的，對服務(wù)器的配置要求也高、而且仿真速度慢。所以選擇工具的時候選擇合適的軟件，切忌殺雞用牛刀。

對于傳輸通道來說，向傳輸線這種尤其是帶狀線它的傳輸模式是理想的TEM波，其實２D、2.5D的工具建模精度也是可以的帶寬在1GHz范圍內(nèi)。不同軟件的區(qū)別主要體現(xiàn)在對過孔等垂直結(jié)構(gòu)的建模，2D軟件用LC模型建模過孔，2.5D可能過孔模型會更精確，3D軟件就是通過對過孔3D的結(jié)構(gòu)進行場的求解。

對于百ＭＨｚ以內(nèi)的信號，２D仿真軟件也就夠用了。對于１～２ＧＨｚ以內(nèi)的信號２.５D的工具就能勝任。再高的信號速率建議使用3D求解器。但這也不是一成不變的，有時候還要綜合考慮PCB或者封裝的設(shè)計情況。對于存在很多跨分割、過孔密集且沒有足夠多的伴地孔隔離的情況，即使信號速率只有2Gbps，也要使用3D求解器，因為此時垂直結(jié)構(gòu)的過孔已經(jīng)被跨分割等非理性效應(yīng)影響，是2D、2.5D工具不能精確建模的。

對于無源鏈路的建模做如下總結(jié)：

第一，建模的過程中必須 保證模型的準確度 ，也就是模型必須能夠準確地反映無源鏈路的真實特征。這就要求SI工程師能夠根據(jù)所設(shè)計的總線接口的特性選擇 合適的仿真建模方法（hfss建模端口的設(shè)置）以及軟件工具（2D、2.5D、3DEM工具） 。

第二，無源鏈路的性能要能夠滿足信號帶寬的要求。SI工程師需要通過 對模型進行仿真優(yōu)化使模型在信號的帶寬范圍內(nèi)具有良好的損耗和反射性能 ，如果無源鏈路的性能不能滿足要求，工程師就需要對無源鏈路的材料或者結(jié)構(gòu)進行調(diào)整以提高模型帶寬。

我們需要通過對無源鏈路的優(yōu)化來達到信號完整性最優(yōu)的效果。如果無源鏈路的模型帶寬太低會出現(xiàn)什么情況呢？

為了解釋這個問題，我們再來看一下帶寬的計算公式：

BW= 0.35/T_rise ，

可以導(dǎo)出

T_rise = 0.35/BW。

應(yīng)用在互連線模型中，T_rise就代表了互連線的本征上升時間，所謂本征上升時間就是用來表征一個互連線或者傳輸通道，在保證衰減小于3dB情況下所能傳輸?shù)淖羁斓纳仙龝r間。互連線的帶寬為1GHz，那么它能傳輸信號的最短上升時間就是350ps，這個350ps就是這條互連線的本征上升時間。驅(qū)動器輸出一個上升時間為T_(rise-drive)的信號輸入到一條本征上升時間為T_(rise-interconnect)的互連線，在接收器處接收到的信號上升時間為T_(rise_rev)，則有如下關(guān)系：

如果要傳輸?shù)男盘柕纳仙龝r間T_(rise-drive)=10ps遠遠小于T_(rise-interconnect)=350ps，那么接收端接收到的信號上升時間T_(rise_rev)就會接近350ps而遠小于10ps。這就是說如果傳輸通道帶寬不足，會使信號發(fā)生嚴重的失真，仿真結(jié)果高頻衰減比較大，一些回溝、振鈴等高頻分量不會在仿真結(jié)果中體現(xiàn)。

3傳輸通道的基本結(jié)構(gòu)

信號的傳輸通道中所包含的主要結(jié)構(gòu)，無外乎以下幾種：

1、傳輸線：可以說是傳輸通道的最主要組成部分，實現(xiàn)傳輸通道的水平方向的互連互通；

2、過孔：在多層板中不可或缺，實現(xiàn)傳輸通道的垂直方向互連。且相比傳輸線的行為更加復(fù)雜、建模要求也更高；

3、PDN也就是電源傳輸網(wǎng)絡(luò)，后面會有詳細的章節(jié)介紹電源完整性。這里我們需要知道PDN的作用非常巨大，它是保證良好的信號完整性的基礎(chǔ)。

4、無源器件，包括電容、電阻，電感、磁珠等等；

5、此外還包含各種板與板之間的連接器，如背板連接器、子板連接器、金手指插座、光模塊等高速接口的連接器等等；

除了這五種結(jié)果其實還包含芯片封裝內(nèi)部的substrate布線、die的bump、BGA的ball等等內(nèi)容，如果后續(xù)有時間如明也會繼續(xù)。今天主要來講一講傳輸線。

4傳輸線

傳輸線理論是信號完整性分析理論的基礎(chǔ)，即使你不懂得信號完整性，也會經(jīng)常接觸到傳輸線這一術(shù)語

這里我不想過多的介紹傳輸線的概念，這在很多書本中都有。簡單的理解傳輸線就是由兩條導(dǎo)線組成的用于傳輸電信號的結(jié)構(gòu)。需要注意的是傳輸線并不是一條線，而是兩條，一條是信號的傳輸路徑，一條是返回路徑。當(dāng)然更多的時候返回路徑是一個平面。

伴隨著信號從源端發(fā)出，到達接收端。有一定電路知識的就會知道，電流必須形成一個環(huán)路否則信號不可能到達接收端，這就是返回路徑的作用，它使電流的環(huán)路閉合使信號的傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。許多信號完整性的問題都是由于 返回路徑的設(shè)計不當(dāng)造成的 。

需要注意的是，這里所說的返回路徑不單單是地，也有 可能是一個電源網(wǎng)絡(luò) 。

返回路徑不可或缺，它可能以以下幾種方式存在：

?它可以是平面：可以是地平面、也可以是電源平面；

?還可以是走線：可以是相鄰布線，通過產(chǎn)生串?dāng)_的方式干擾其它信號；可以是差分布線，P、N互為回流路徑。

?也可以是其它互連結(jié)構(gòu)：如過孔、散熱器、結(jié)構(gòu)體的外殼等等。

在一個良好的設(shè)計中，水平方向上信號的返回路徑就是平面，垂直方向上信號過孔的返回路徑應(yīng)該是與其相鄰的地過孔。如果設(shè)計不當(dāng)，特別是表層的布線設(shè)計不當(dāng)，信號也可能把散熱器等結(jié)構(gòu)件當(dāng)成返回路徑。

5傳輸線方程

通過上面的介紹，讀者對傳輸線應(yīng)該有了一個感性的認識，但如果要繼續(xù)深入理解傳輸線就需要電磁場的知識。傳輸線的理論基礎(chǔ)來自于電磁場理論，下面將主要介紹一下由麥克斯韋方程來推導(dǎo)傳輸線方程（推導(dǎo)過程中會涉及到一些公式，如果讀者覺得繁瑣也可越過直接看后面的結(jié)論）。

考慮電容率為 ，磁導(dǎo)率為 ，電導(dǎo)率為 的無源均勻介質(zhì)（所謂無源就是介質(zhì)中不包含產(chǎn)生場的電荷和電流，然而由歐姆定律（ ），也就是傳導(dǎo)電流能夠在有限導(dǎo)電介質(zhì)中存在），麥克斯韋方程如下：

平面波在無邊介質(zhì)中傳播，在波的傳播方向上既沒有電場分量也沒有磁場分量，故稱為橫電磁波。現(xiàn)在我們來考慮由導(dǎo)體限制在一定區(qū)域內(nèi)傳輸?shù)牟ǎ覀兎Q之為 波導(dǎo) 。

有三種形式的波導(dǎo)：橫電波、橫磁波、橫電磁波。

我們需要研究的 傳輸線屬于橫電磁波（TEM波） ，需要兩個或者更多的導(dǎo)體才能存在，波的傳播沿著導(dǎo)體方向傳播，它的電場和磁場完全在傳播方向的橫向，都沒有沿波傳播方向的分量。也就是說對于傳輸線，電磁波的傳輸沿著產(chǎn)生線的方向，電場和磁場的方向與傳輸線垂直。

傳輸線的分類有平行板傳輸線、微帶線、帶狀線、同軸線等。我們以最簡單的平行板傳輸線為例來推導(dǎo)傳輸線的方程。

如上圖所示波沿z方向傳播，x方向定義兩個平行板的間距d，y方向定義平行板的寬度a。在平行板傳輸線中很明顯電場平行于x方向，磁場平行于y方向，則有：

很容易推導(dǎo)出平行板的單位長度電容和電感,以及傳輸線上的總電流：

應(yīng)用麥克斯韋方程

，得到

對上式進行x=0到x=d的積分得到，

由于 和 對于x都是常數(shù)， 的積分就是兩平行板之間的電壓，上式可以寫成：

式（2--13）和（2--14）決定了線性、均勻、各向同性的介質(zhì)中無損耗傳輸線的電壓和電流變化，這兩個方程即為傳輸線方程，也叫作電報方程。考慮有損傳輸線的情況，電阻R代表導(dǎo)體的損耗，電導(dǎo)G代表介質(zhì)的損耗，則有：

由上面的傳輸線方程可知，長度為dz的傳輸線微分單元的模型可以等效為如下所示的R、L、C、G電路。其中串聯(lián)電阻Rdz代表由導(dǎo)線電導(dǎo)率引起的損耗；并聯(lián)電導(dǎo)Gdz代表由介質(zhì)絕緣特性有限而產(chǎn)生的損耗，串聯(lián)電感Ldz代表磁場，并聯(lián)電容Cdz代表平行板之間的電場。

傳輸線方程的通解為如下形式：

（2-17）

（2-18）

其中 和 代表沿z的正方向傳播的前向行波（傳輸波）， 和 代表沿z負方向的后向形波（反射波）。這也就說明了 傳輸線上每一點的電壓或者電流都是由入射波和反射波共同構(gòu)成的， 為我們之后分析設(shè)計傳輸線提高了基礎(chǔ)。

式2-17、2-18中的 為傳播常數(shù)：

其中α 和β 分別為傳輸線的衰減常數(shù)和相位常數(shù)，可以看出α 和β 都是R、L、G、C的函數(shù)，而R、L、G、C又都是頻率的函數(shù)，因此傳輸線的衰減和相位也都是隨著頻率的變化而變化的。

對于傳輸線另一重要的方程就是其特征阻抗 。傳輸線的特征阻抗 定義為傳輸線上任意點處的電壓和電流的比值，即V/I = 由此可以推導(dǎo)出傳輸線特征阻抗的計算公式：

在高頻情況下R和G的影響往往是可以忽略的，傳輸線傳播常數(shù)和特征阻抗都可以簡化：

對于無損傳輸線的傳播速度：

我們知道真空中的光速：

其中 、 為真空中的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。定義介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為 、 ，則無損傳輸線的傳播速度可以表示為：

（2-24）

我們知道光速 c 為3乘以10的8次方米/秒(約12mil/ps)，通常情況下介質(zhì)中相對磁導(dǎo)率為 ，在給定的介質(zhì)材料的情況下就可以很方便地計算出信號在傳輸線中的傳播速度。比如說對于通常的FR4材料 ，那么信號在傳輸線中的傳播速率 v = 6mil/ps。

傳輸時延是傳播速度的倒數(shù)，定義了信號在傳輸線中傳播單位長度所用的時間，單位通常是ps/inch。傳輸時延的計算如下：

**對于通常所說的FR4材料中的傳輸時延td = 167 ps/inch 。 **

關(guān)于傳輸線，這一節(jié)介紹了傳輸線方程、特征阻抗公式、傳播速度和輸出時延的推導(dǎo)和計算。如果覺得推導(dǎo)過程太難理解，那么就直接記住結(jié)論好了，至少要知道特征阻抗的公式，知道傳輸線的阻抗都和哪些因素相關(guān)，在產(chǎn)品的設(shè)計中、信號完整性的分析仿真中都是離不開的。