传输线种类及其特点

用来传输电磁能量的线路称为传输线系统，由传输线系统引导向一定方向传播的电磁波称为导行波。传输线的种类繁多，这里只讨论同轴线、微带传输线（包括带状线和微带线）。

传输线更为统一的例子是同轴线，同轴线用来传输横电磁波（TEM波），其中典型的同轴线是由半径为b的外导体和内径为a的内导体以及它们之间的电介质组成。在一般情况下外导体是接地的，因此辐射损耗和场干扰后很小，当频率提高到10GHz时，几乎所有的测量检测设备的外接线都是同轴线。信号完整性测试都是同轴线作为外接设备，连接到测试仪器端。

微带线是最普遍使用来传输横电磁波的平面传输线之一，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于PCB中。在高速电路设计中，人们往往容易忽略PCB本身的电特性设计，而这对整个电路的功能可能是有害的。如果电特性设计得当，它将具有减少干扰和提高抗干扰性的优点。在高速电路中，应该把印制线作为传输线处理。常用的PCB传输线是微带线和带状线。

当印制线上传输的信号速度超过100MHz时，必须将印制线看成是带有寄生电容和电感的传输线，而且在高频下会有趋肤效应和电介质损耗，这些都会影响传输线的特征阻抗。按照传输线的结构，可以将它分为微带线和带状线。

微带线（见图5-2）是位于接地层由电介质隔开的印制线，它是一根带状导线，与地平面之间用一种电介质隔离开。印制线的厚度、宽度、印制线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的宽度、厚度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。单位长度微带线的传输延迟时间仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。

图5-2 带状线与微带线示意图

带状线（见图5-2）是介于两个接地层之间的印制线，它是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。它的特性阻抗和印制线的宽度、厚度、电介质的介电常数以及两个接层的距离有关。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。单位长度带状线的传输延迟时间与线的宽度或间距是无关的，仅取决于所用介质的相对介电常数。

差分线差分信号（Differential Signal）在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计，如图5-3所示。

差分信号就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态是“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。

图5-3 差分线示意图(www.xing528.com)

差分线和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下3个方面：

1）抗干扰能力强。因为两根差分线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

2）能有效抑制EMI（电磁干扰）。同样的道理，由于两个信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能量就越少。

3）时序定位精确。由于差分信号的开关变化位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺、温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

差分电路的主要缺点就是增加了PCB线。所以，如果应用过程中不能发挥差分信号的优点，那么不值得增加PCB面积。但是如果设计出的电路性能方面有重大改进，那么增加的布线面积所付出的代价就是值得的。

LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号）是一种低摆幅的电流型差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbit/s的速率传输，其低电压摆幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。

LVDS物理接口使用1.2V偏置电压作为基准，提供大约400mV的摆幅。LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成（通常电流为3.5mA），LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mV的电压。电流源为恒流特性，终端电阻为100～120Ω，则电压摆动幅度为3.5mA×100Ω=350mV～3.5mA×120Ω=420mV。

当驱动器翻转时，它改变流经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。低摆幅驱动信号实现了高速操作并减小了功率消耗，差分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗大幅减少的低压摆幅。功率的大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动器和接收器。这提高了PCB的效能，减少了成本。

在LVDS差分对布线时，期望每根走线都与其配对走线完全一致，在最大的可实现范围内，差分对中每根走线应该具有一致的阻抗与一致的长度。差分走线通常以线对的方式进行布线，线对的间距沿线处处保持不变，应尽可能将差分对靠近布线。

在实际应用中为了适应各种特殊的目的应用，需要有很多种传输线结构的组合应用。因此不能说某种传输线好或者不好，要根据不同传输线的特点和实际电路的要求灵活选用。