信号时延介绍剖析.ppt

* 信号时延介绍 传播速度 电信号在导线中或者空气中以光速传播，即3*108m/s(换算后为11.8in/ns)。当电流从导线中流过时，它会沿导体产生电磁场。电磁场和电流密不可分，同时运动。电磁场在某种物质中的传播速度跟这种物质的介电常密切相关，其按如下公式计算： 传播速度= 传播时间 Time delay又叫时延(TD)，通常是指电磁信号或者光信号通过整个传输介质所用的时间。在传输线上的时延就是指信号通过整个传输线所用的时间。Propagation delay又叫传播延迟(PD)，通常是指电磁信号或者光信号在单位长度的传输介质中传输的时间延迟，与“传播速度”成反比例（倒数）关系。 走线与信号传播 电路板走线分为带状线和微带线。 通常认为带状线环境的走线四周的材料是均匀的。实际上，我们设计时也是这样要求厂家制作的。因此，在带状线环境的走线中，信号的传播速度就可以用如下公式进行表示： 传播速度= 因为FR4的相对介电常数大约为4.3，所以带状线中信号的传播速度大约是5.69in/ns，传播延迟大约为0.176ns/in（0.176ps/mil)。如果我们想计算得更精确，必须要知道电路板材料相对介电常数的精确值，并应用在上式的计算中。 微带线环境要复杂一些，走线周围的材料并不均匀，最简单的情况时走线上方是空气，下方是电介质材料。最常见的情况是走线上方是附加涂层，涂层可以是多种材料，下方是电路板材料。 因此，如果要估计信号在微带线中的传播速度，必须估计走线周围电路板材料的实际介电常数。下式是普遍接受的用来估算实际介电常数的经验公式，已经被广泛应用。 以FR4的相对介电常数大约为4.3计算，微带线中信号的传播速度大约是7.2in/ns，传播延迟大约为0.139ns/in（0.139ps/mil） 。 微带线这种估算方法还有几个不足的地方。最明显的地方在于它是一个常数。人们已经发行信号在微带线中的传播时间是一个变量。在其他条件都保持不变的情况下，它是参考层上走线宽度和高度的函数。 走线变宽时，传播时间就会变慢，原因是走线越宽，在走线和参考层之间就会有越多的电磁场被包含在电介质材料中。在极限情况下，当走线无限宽时，所有的电磁场都会被包含在电介质材料中。这时，微带线看起来就和带状线差不多了。因为同样的原因，当走线靠近参考层时，微带线的传播速度也会变慢。在电介质材料中有比空气中更多的场线。 Brooks提出了用周围是相同电介质材料的带状线中的传播时间的变化率来表示微带线中信号的传播时间。他对传播时间的估计是（以ns/in为单位） 传播延迟（微带线）=Br × 传播延迟（带状线） 即 传播延迟= 其中 Br=0.8566+(0.0294)ln(W)-(0.00239)H-(0.0101)εr W=走线宽度（mil） H=走线和参考层之间的距离（mil） εr =走线和其下方的参考层之间电路板材料的相对介电常数 传播速度= Br总比1.0小，信号在微带线中的传播速度永远不会比带状线中慢。 下面是我司常用的一种八层板叠层结构： 该八层板叠层结构的走线要求： 代入公式计算得，微带线中单端信号的传播速度大约是6.67in/ns，传播延迟大约为0.150ns/in（0.150ps/mil）；差分信号的传播速度大约是6.70in/ns，传播延迟大约为0.149ns/in（0.149ps/mil）。 层名 类型 线宽/间距(mil) 阻抗值(Ω) 参考平面层 L1、L8层 单端 5.5 50 L2、L7 L3层 单端 6.2 50 L2L4 L6层 单端 6.2 50 L5L7 L1、L8层 差分 4.7/10.3/4.7 100 L2、L7 L3、L6层 差分 5.2/9.8/5.2 100 L2L4、L5L7 过孔时延 在PCB设计时候，经常会遇到走线换层，走线换层必须借助于过孔。过孔的时延可以用下式表示  其中 TD_via表示信号经过过孔的时延 L表示过孔的寄生电感 C表示过孔的寄生电容 如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2（inch），过孔焊盘的直径为D1 （inch），PCB板的厚度为T （inch），板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于： C=1.41εTD1/(D2-D1) pF 拿我司的XE板卡举例来说，PCB板厚为64Mil，信号线上使用过