传输线的物理基础（四）：传输线的驱动和返回路径

驱动一条传输线

对于将信号发射到传输线的高速驱动器，传输线在传输时间内的输入阻抗将表现得像一个电阻，相当于线路的特性阻抗。鉴于此等效电路模型，我们可以构建驱动器和传输线的电路，并计算发射到传输线中的电压。等效电路如下图所示。

驱动器可以建模为快速开启的电压源元件和源电阻。电压源具有根据晶体管技术指定的电压。对于 CMOS 器件，电压范围为 5 v 至 1.5 v，具体取决于晶体管代数。较旧的 CMOS 设备使用 5 v，而 PCI 和一些内存总线使用 3.3 v。最快的处理器使用 2.4 v 和更低的输出电压，1.5 v 和更低的核心电压。这些电压是电源电压，非常接近器件驱动开路时的输出电压。

源电阻的值还取决于器件技术。它通常在 5 欧姆到 60 欧姆范围内。当驱动器突然打开时，一些电流会通过源阻抗流向传输线，并且在信号从引脚出来之前，栅极内部会出现电压降。这意味着完整的开路驱动电压不会出现在驱动器的输出引脚上。

可以通过将该电路建模为电阻分压器来计算发射到传输线上的实际电压。信号看到由源电阻和传输线阻抗组成的分压器。最初引入线路的电压大小是线路阻抗与线路和源电阻串联组合的比率。它由：

Vlaunched表示发射到传输线的电压

Voutput表示开路时驱动器的电压

Rsource表示驱动器的输出源阻抗

Z0表示传输线的特性阻抗

当源电阻很高时，传输到线路中的电压会很低——通常不是一件好事。在下图中，我们绘制了实际发射到传输线并向下传播的源电压的百分比，对于 50 欧姆的特性阻抗。当输出源阻抗也是 50 欧姆时，我们看到实际上只有一半的开路电压被发射到线路中。如果输出为 3.3 伏，则发射到线路中的信号仅为 1.65 伏。这可能不足以可靠地触发可能连接到线路的门。然而，随着驱动器的输出电阻降低，进入线路的信号电压增加。

为了使最初引入线路的电压接近源电压，驱动器的输出源电阻必须很小——远小于线路的特性阻抗。

我们说，为了“驱动传输线”——换句话说，向线路中施加接近开路源电压的电压——我们需要驱动器的输出阻抗与特性相比非常小线的阻抗。例如，如果线路为 50 欧姆，我们需要小于 10 欧姆的源阻抗。

具有极低输出阻抗（10 欧姆或更低）的输出设备通常被称为线路驱动器，因为它们能够将大部分电压注入线路。旧技术的 CMOS 设备无法驱动线路，因为它们的输出阻抗在 90 欧姆到 130 欧姆的范围内。由于大多数互连的行为类似于传输线，因此当前一代的高速 CMOS 器件都必须能够驱动一条线，并且设计有低输出阻抗门。

返回路径

在本章的开头，我们强调了第二条走线不是地线而是返回路径。我们应该永远记住，所有的电流，无一例外，都是循环流动的。

总有一个电流回路，如果一些电流流出到某个地方，它总会回到源头。

在传输线上传播的信号中的电流环路在哪里？假设我们有一条很长的微带线。在第一种情况下，我们将其设置得如此之长，以至于单向时间延迟 TD 为 1 秒。这大约是地球到月球的距离。为了现在更容易考虑，我们将缩短远端。我们向线路发射信号。如下图所示，这意味着我们有一个恒定的电流进入信号路径，与施加的电压和线路的特性阻抗有关。

如果电流在环路中流动并且必须返回源头，最终我们希望看到电流流动到线路的末端并沿着返回路径流回。但这需要多长时间？传输线中的电流非常微妙。我们什么时候看到电流从返回路径出来？是否需要 2 秒——1 秒下降，1 秒返回？如果远端真的打开会发生什么？如果信号导体和返回导体之间存在绝缘介电材料，除了远端之外，电流怎么可能从信号流到返回导体？

最好的思考方式是回到零阶模型，该模型将线路描述为一堆微型电容器。如图 7-19 所示。首先考虑电流。当信号发射到线路中时，它会看到第一个电容器。如果初始电容器两端的电压恒定，则不会有电流流过该电容器。电流流过电容器的唯一方式是电容器两端的电压发生变化。当信号被发射到传输线时，信号路径和返回路径导体上的电压会上升。正是在这个过渡时间内，随着边沿经过，电压发生变化，电流流过初始电容器。当电流流入信号路径为电容器充电时，流出返回路径并流过电容器的电流量完全相同。

在第一个皮秒内，信号并没有沿着线路走很远，它不知道线路的其余部分是如何配置的，是开路还是短路，或者是否有一些完全不同的阻抗。通过返回路径流回源极的电流仅取决于直接环境和电压变化的线路区域，即信号边沿所在的区域。

来自电源的电流流入信号导体，并通过位移电流，通过信号和返回路径之间的电容，然后返回返回路径。这是当前循环。当电压转换沿沿线路传播时，该电流环路波前沿传输线传播，通过位移电流在信号和返回路径之间流动。

我们可以扩展传输线模型以包括其余的信号和返回路径以及它们之间的所有各种分布式电容器。当信号沿着线路传播时，有电流（返回电流）流过电容到返回路径导体并环回源。然而，这个从信号路径到返回路径的位移电流环路仅在信号电压变化的地方在它们之间流动。

信号发射后几纳秒，在前端附近，信号边沿已经过去，电压恒定，信号到返回路径之间没有电流流动。只有恒定电流流入信号导体并从返回导体流出。同样，在信号边缘之前，在边缘到达线路的那个区域之前，电压是恒定的，并且信号和返回路径之间没有电流流动。电流仅在信号边缘流过分布电容。

一旦信号发射到线路中，它将作为波前以光速沿线路传播。电流将沿着信号线流下，通过线路的电容，然后通过返回路径作为环路返回。该电流环路的前端向外传播，与电压边沿重合。我们看到信号不仅是电压波阵面，而且还是沿着线路传播的电流环波阵面。信号所见的瞬时阻抗是信号电压与信号电流的比值。

任何干扰电流环路的事物都会干扰信号并导致阻抗失真，从而影响信号完整性。为了保持良好的信号完整性，控制电流波前和电压波前很重要。最重要的方法是保持信号阻抗恒定。

任何影响信号电流或返回电流路径的因素都会影响信号遇到的阻抗。这就是为什么无论是在 PCB、连接器还是 IC 封装上，都应像设计信号路径一样仔细设计返回路径。

当返回路径是平面时，问一下返回电流流向哪里比较合适？它在平面上的分布是怎样的？精确分布稍微依赖于频率并且不容易用铅笔和纸计算。这是一个好的 2D 场解算器派上用场的地方。

下图 显示了 10 MHz 和 100 MHz 正弦波电流在微带线和带状线中的电流分布示例。我们可以看到两个重要的特征。首先，信号电流仅沿着信号走线的外缘流动。这是由于趋肤深度。其次，返回路径中的电流分布集中在信号线附近。正弦波频率越高，电流分布越接近表面。

随着频率的增加，信号和返回路径中的电流将选择阻抗最低的路径。这转化为最低环路电感的路径，这意味着返回电流将尽可能接近信号电流。频率越高，返回电流直接流过信号电流的趋势就越大。即使在 10 MHz，返回电流也是高度局部化的。

通常，对于大约 100 kHz 以上的频率，大部分返回电流直接流过信号走线下方。即使走线绕着弯曲路径蜿蜒或形成直角弯曲，平面中的返回电流也会跟随它。通过采用这条路径，信号和返回的环路电感将保持在最低水平。

任何阻止返回电流紧密跟随信号电流的因素（例如返回路径中的间隙）都会增加环路电感并增加信号所见的瞬时阻抗，从而导致失真。

我们看到设计返回路径的方法是控制信号路径。在电路板周围布线信号路径也会在电路板周围布线返回电流路径。这是电路板走线的一个很重要的原则。