传输线如何工作
我们在传输线的定义中说了,传输线就是信号路径与回流路径这两条“导线”之间的“暧昧故事”,只是在实际设计中,回流路径往往是回流地或电源,但我们需要明确地将:回流路径的概念与回流地/电源区分开,从而避免对“回流路径”概念的混淆。
1. 如下图所示,只有当信号路径相对回流路径有电压跳变时(信号前沿),信号路径上的电流才会通过互感和互容(信号路径相对于回流路径)流向回流路径(位移电流)。
我们需要注意的是:传输线模型只使用于跳变信号(信号前沿),对于固定电平,传输线模型的电感和电容不起作用:此时传输线模型中的电感(串联在信号路径和回流路径上)是短路状态,电容(并联在信号路径和回流路径上)是开路状态。
那么如下图所示,由于是直流状态,w=0,可得电感感抗:jwL1=jwL2=0,电容容抗:1/(jwC) =∞。因此此时起作用的只是导线上串联的电阻。
2. 如上图所示,我们看到信号边沿沿着传输线不断向前传播,不断对电容C做着充电的动作,同时受到电感L1和L2的阻碍作用。所以还一个问题是:回流路径上的信号回流是怎么工作的?信号电流是从发送端到接收端,那么回流是从接收端返回到发送端么?
好,咱们举个栗子:假设有一个导线从地球延伸到月球,此时传输线延时约为1.2s(约38万公里):信号电流从地球向月球传输,返回电流从月球向地球传输形成一个电流环路,那么返回电流是信号电流到达月球后,再从月球发送回来的么(总共经过2.4s)?
1, 从上图可以看到,当信号电流从发送端发出的瞬间,就开始对传输线上的电容进行充/放电:电流从芯片电源->芯片驱动管脚->信号路径->电容->回流路径->芯片电源,形成一个完整的回路,即返回电流是跟随信号电流即时产生的。
2, 当信号还未传播到远处时,它并不知道后面的传输线结构是如何的(是否有阻抗突变等),此时信号电流已经过返回路径回到了源端,仅仅与信号前沿的环境(介电常数和磁导率等)和信号前沿所在的那一小段传输线有关,而与还未传播的信号路劲/回流路径无关。
3, 所以我们可以做一个总结:一旦信号路径中的信号发出,则其回流一直存在,直到信号传播到了接收端,而要等待此时的回流返回到源端,信号回流总共花费时间是:2倍的走线延时(举个栗子:地球与月球之间延时的两倍:2.4s)。
那我们现在可以更简单的方式来表述传输线是如何工作的:
1,只有在信号前沿(跳变)处的导线才工作在传输线模式,且信号状态只与信号前沿所处位置有关。
只有信号边沿(特定时间)所占据的那段导线(特定位置)才是传输线,其它部分导线并非是传输线(其它部分只是导线,满足基尔霍夫定律)。即:并非导线的任何时刻、任何位置都是传输线。
2,信号一旦从发送端发出,信号回流即时返回到了发送端。信号路径和回流路径形成的并非是一个单纯的“环”,而是由无数多个“环”组成,取决于此时此刻信号所在的位置。