信号的传输方式
信号的传输方式-信号与电源完整性
信号在传输线中的传输可以用麦克斯韦方程组精确描述的,但复杂抽象的数学表达式无助于直观的理解,用另外一种方式更容易形成直觉:
想象我们向平静的水面投下一颗石子,石子落入水面的瞬间,水的局部被压缩,石子的动能传递给被压缩的水体,被压缩的水松弛,能量被释放并压缩周边水体,周边的水体重复这一过程。最终我们看到的是水在垂直方向上起落波动,这一过程向外扩散形成波纹。投入的石子仅仅是这一波动过程的激励源。
数字信号的传输和这一过程非常类似,驱动器输出的信号是变化的电压(或电流)。当变化的电压(或电流)施加到传输线上的瞬间,构成传输线的两个导体之间形成变化的电场和磁场,以电磁波的形式向前传播。在传输线的各个局部位置出现电场和磁场的变化,并伴随着电荷积聚(压缩)和流动,将产生变化的电压和电流。这一过程沿传输线的“行进”速度是构成传输线的介质中的电磁波速度(介质中的光速),可以把传输线各点电压电流变化看成是电磁波传播的外在表现。
传输线上的信号电压就像是“浪头”一样,以介质中的光速快速向前传播。在信号传输的某一瞬间,传输线上只有某一区域内存在电压变化,随着时间的推移这一区域也向前推进。传输线上信号的传输是一个瞬态的过程,每一个瞬间信号电压的“浪头”所在位置不同,感受到的“环境”也可能不同。因此,传输线局部环境变化(如阻抗变化)会影响信号的行为,并最终反映到信号的电压波形中。
制造PCB的常用板材介电常数通常在4左右,比如,普通的FR4类板材介电常数介于4~5,高速板材介电常数介于3~4,这样可以得到一个很有用的近似估计,PCB上信号的传播速度约为:
如果传输线有18inch长,那么信号需要3ns才能传输到末端。图3-3所示的互连结构中,每隔6 inch有一个接收端,驱动器发出信号后,经过1 ns信号传输到接收器1,此时接收器2和3感觉不到信号的存在,经过2 ns接收器2才收到信号,而末端的接收器3仍然感觉不到信号的存在。所以信号的传输是一个“动态”的过程,本例中每隔1 ns,信号才和一个接收器发生相互作用,只有搞清楚信号传输的每一个瞬间发生了什么,才能了解信号互连中的各种问题。