基础电路设计(六)传输线路与高速电路的设计技巧

前言

类似CPU等超高速、高频电子组件相继问世，过去经常被忽视的整合问题，例如信号传输波形的优化，最近成为非常重要的课题之一。电子组件动作高速化使得封装上必需面对更多短期内不易获得解答的挑战，因此利用模拟分析作事前的检讨与对策，成为设计上不可欠缺的手法。所谓超高速、高频化具体而言例如PC、PDA、因特网、光通信、无线LAN等电子产品，事实上已经成为日常生活中的一部份，有鉴于此，接着要介绍信号传输线路的问题点，同时深入探讨高速电路的设计技巧。
　 
传输线路的电荷与电位分布

线路传输高频信号时，线路长度与信号频率波长两者的微妙关系已经成为无法忽视的课题，例如传输线路会会因频率会呈现天线效应产生噪讯放射现象，进而影响电子机器正常动作等等。图1是每单位波长的传输线路特性，由图可知负载端出现的信号振幅与信号源的振幅相同时，信号的位相则呈现 延迟，假设该信号是高频波时，图1的振幅与位相会因传输线路的位置产生差异。虽然理想状态希望信号源的振幅、位相与负载端完全相同，不过高频波一旦产生上述差异时，就无法忽视两者的关系。

图1 传输线路的电荷与电位分布

当传输线路长度增加时，即使是低频波同样会因信号波长产生与上述相同且无法忽视的问题，例如频率为1KHz时是300Km，依此推算祇要超过300Km，低频波也会产生相同的天线效应与噪讯干预现象。这正是影响导体长度的波长越来越高频化之后，传输线路的设计也越来越困难的主要原因。一般认为传输线路长度与波长的关系大约是1/100以上 的 ，也就是说传输线路的长度低于波长的1/100以下，理论上就不会产生上述困扰，然而实际上不可能有如此长度的传输线路。

如图1所示如果两线路之间产生电位差，两线路之间就会发生电界，随着电荷的变化就会出现高频波的流动(亦即电流)，它可视为磁界的变化，因此随着电界与磁界，行进波会流入负载端，如果传输线路的阻抗为不整合状态时，负载端就会产生反射波(亦即反射电力)，造成行进波与反射波相互干扰，进而在传输线路上形成类似静止状的波形山谷(亦即定常波)，使得传输线路具有频率特性。当传输线路为 时，干涉所产生的波长成为共振状态，传输线路就成为发射噪讯的天线，进而严重影响电子机器的正常动作，也就是说具有电界、磁界的高频波电流的流动所产生的电磁界，经常超越预料将强烈的电波放射至周围空间。