3第3章高频电路板的传输线设计
高频电路设计布线技巧,您需要知道这十项规则
高频电路设计布线技巧，您需要知道这十项规则如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3），通常就称为高频电路。
高频电路设计是一个非常复杂的设计过程，其布线对整个设计至关重要！【第一招】多层板布线高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须，也是降低干扰的有效手段。
在PCB Layout阶段，合理的选择一定层数的印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度，同时还能大幅度地降低信号的交叉干扰等，所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。
有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。
但是，同时也存在一个问题，PCB 半层数越高，制造工艺越复杂，单位成本也就越高，这就要求我们在进行PCB Layout时，除了选择合适的层数的PCB板，还需要进行合理的元器件布局规划，并采用正确的布线规则来完成设计。
【第二招】高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或者圆弧转折，这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。
【第三招】高频电路器件管脚间的引线越短越好信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB 线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。
【第四招】高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好所谓引线的层间交替越少越好是指元件连接过程中所用的过孔（Via）越少越好。
据侧，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。
【第五招】注意信号线近距离平行走线引入的串扰高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的串扰，串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。
电路中的传输线理论与高频电路设计
电路中的传输线理论与高频电路设计在电路设计和高频通信领域，传输线理论是一个重要的概念。
传输线是用于在电路中传输信号的特殊导线结构，它们能够保持信号的高质量传输，并减少信号在传输过程中的失真和损耗。
本文将介绍传输线理论的基本原理，并探讨其在高频电路设计中的应用。
1. 传输线理论的基本原理传输线理论是基于电磁波传播的原理。
相比于简单的电缆或导线，传输线能够在高频信号传输过程中更好地保持信号的完整性。
其原理主要包括以下几个重要概念：1.1 行波特性传输线中的信号以行波的形式传播，而不是简单的电流或电压信号。
行波特性使得信号能够在传输线上快速传播，并减少由于信号的反射和干扰而引起的失真。
1.2 传输线参数传输线的参数包括特性阻抗、电感、电容和导纳等。
这些参数影响着传输线对信号的传输速度和阻抗匹配等特性。
1.3 反射和干扰传输线上的信号可能会产生反射和干扰，这会引起信号的失真和损耗。
传输线理论通过合理设计传输线的特性阻抗和终端阻抗，减少反射和干扰对信号的影响。
2. 传输线在高频电路设计中的应用传输线理论在高频电路设计中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：2.1 高频信号传输在高频电路中，如射频电路或微波电路中，传输线通常被用于传输高频信号。
由于传输线的特性，它能够有效地传输高频信号，并减少信号在传输过程中的失真和损耗。
2.2 信号匹配与阻抗匹配传输线的特性阻抗对于信号的匹配和阻抗匹配非常重要。
在高频电路设计中，传输线可以用于匹配信号源和负载之间的阻抗，以确保信号的高质量传输。
2.3 信号延迟和相位控制传输线能够在电路中引入延迟和控制信号的相位。
这在一些特定的高频电路设计中具有重要作用，比如时钟分配、数据同步等。
3. 设计优化与验证在高频电路设计中，传输线的设计需要考虑多个因素，如传播延迟、功率损耗、信号完整性等。
通过使用传输线理论，可以对传输线的参数和特性进行优化，并确保电路的性能满足设计要求。
4. 结论传输线理论是理解和设计高频电路中不可或缺的一部分。
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高频电子线路基础知识
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PART 03
高频电子线路分析方法
频域分析方法
PART 05
高频电子线路中的调制与 解调
调制的原理与分类
调制原理
调制是利用基带信号控制高频载 波的参数，将信息转化为高频信 号的过程。
调制分类
按照调制信号的性质，调制可分 为模拟调制和数字调制；按照载 波参数，调制可分为幅度调制、 频率调制和相位调制。
调频与调相
调频
调频是通过改变载波的频率来传递信 息，调频信号的带宽较宽，抗干扰能 力强，但信号的稳定性较差。
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第3章 高频功率放大电路
图 3.2.3 丙类状态转 移特性分析
第3章 高频功率放大电路
由图3.2.3可以得到集电极电流iC的分段表达式：
iC (3.2.6)
iC=g(uBE-Uon) 0
uBE≥Uon
1
I Cm
1 2
I Cm
cos0t
2
3
I Cm
cos 20t
...
其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度, 即集电极电流最大值。
第3章 高频功率放大电路
由此 可求得在Ucm=UCC时的最高效率
c
1
1 2
ICm
2
1
ICm
4
78.5%
在图3.2.2中, 随着基极偏置电压UBB逐渐左移, 静态工 作点逐渐降低, 晶体管的工作状态由甲类、乙类而进入丙类。由 刚才的分析可知, 乙类的效率确实高于甲类。
Ic1mU
cm
1 1012 60mW 2
U BB
Uon
I Cm g
0.6 20 10 2
1.6V
在乙类工作时(θ=90°)，有
Ic1m ICm1 (90) 20 0.5 10mA
Po
1 2
10 12
60 mW
UBB Uon 0.6V
第3章 高频功率放大电路
当丙类工作时(θ=60°),有
Ic1m ICm1 (60) 20 0.38 7.6mA
Po
1 7.612 2
45.6mW
IC0 ICm 0 (60) 20 0.22 4.4mA
c
1 2
精品课件-电磁波—传输.辐射.传播(王一平)-第3章
由第2章式(2-3)知，无耗传输线的相速为 v 1/ LC ，
对上述平板传输线，已知其单位长的电感和电容分别为
L b ,C，代a入之后就可算出横电磁波(TEM
式为 a
b
v 1
)相速的计算公 (3-6)
可见，它仅仅取决于传播介质的电磁参数ε和μ。在通常的实际
传播介质中只要不是铁磁体，导磁率μ和真空的μ0几乎相同， 而 介 电 常 数 ε 和 真 空 的 ε0 则 有 明 显 的 差 异 ， 所 以 ， 考 虑 到 μ=μrμ0≈μ0和ε=εrε0， 即有
所有上述结果都是在理想导体(电阻率为零)和理想绝缘体(电 阻率为无限大)的条件下得到的。这种理想化，不仅使问题的讨论 可以简化，也使讨论所得的结果显得清晰。但在研究传输中的损 耗和效率时， 就不能完全这样假定了。
第3章 电 磁 传 输 线
最后，必须指出，电磁波不一定要依附于某个导体系统， 即电磁波亦可在空间自由传播。通常，在距离波源很远的地方， 如果所讨论的区域的大小比起该处和波源的距离来说要小得多时， 就可以用式(3-2)所表示的平面横电磁波来描述这一区域中的电 磁场。这时，平面波的力线和函数分布情况，如图3-5所示。 所 有从式(3-2)到式(3－11)的各个关系式也是适用的。 至于脱离 了导体系统的电磁波如何传播的问题， 需要进一步认识电磁场 运动的基本规律后才能解决， 这个问题， 我们将在第4章讲述。
场能量为 1 H，2单位体积内储存的磁场能量为
1 E。2它们
分别称为电能2密度和磁能密度。在TEM波情况下，由式(23-3)和式
(3-4)可知，这两个能量密度是相等的， 即
1 H 2 1 H 2
2
2
(3-5)
它告诉我们，横电磁波所在的空间中任一处，电磁能量均等地储 于电场和磁场之中。
高频电子线路课程设计
高频电子线路课程设计背景高频电子线路是电子工程中重要的一门学科，它涉及到射频信号处理、微波电路、天线设计等领域。
基本电路设计知识在高频电子线路中同样适用，但需要深入理解和掌握高频电路特性和性能参数，设计复杂又具有挑战性。
本文将针对高频电子线路课程设计进行详细阐述，帮助学生加深对于高频电子线路的理解和知识，同时具备实际应用价值。
设计目标设计一个5GHz的放大器电路，输入信号功率为-10dBm，输出信号功率为18dBm，增益不小于15dB。
设计步骤1. 确定放大器类型初步确定本次设计需要采用低噪声放大器（LNA），由于输入信号功率较低，需要保证输入电路的低噪声水平，同时保证放大器输出功率足够。
2. 设计输入电路输入电路的设计需要注意两点：一是适应5GHz信号的高频特性，二是实现低噪声。
输入电路可以采用微带线或共面波导作为传输线，并且要与放大器贴片封装相匹配。
3. 选择放大器器件在选择放大器器件时，需要注意输入/输出功率、增益、稳定性、电源电压等参数。
按照本次设计的要求，需要满足输入功率为-10dBm，输出功率为18dBm，且增益大于15dB。
因此，可以选择如下几个型号的器件：•Avago ATF-54143•NXP BFG425W/X•Linear Technology LTC2216CUJ-TRPBF4. 设计放大器电路放大器电路分为两个部分：共源放大器和输出级放大器。
在搭建放大器电路之前，需要评估器件的参数，包括输入阻抗、输出阻抗、谐振频率等。
放大器电路中还需要加入偏置电路，以保证放大器器件工作的稳定性。
具体放大器电路设计如下：5. 仿真和调试在完成放大器电路设计后，需要进行仿真和调试。
使用ADS软件对放大器电路进行仿真，评估电路的性能，如增益、频率响应、稳定性等。
在仿真过程中，可以通过调整偏置电路的元件值、调整电缆长度、改变传输线贴片等方式对电路进行调整，直到达到设计要求。
仿真结果如下：6. 实验验证在验证电路的性能之前，需要制作PCB板，将电路固定在板子上。
高频电子线路第3章高频功率放大器
ic I c 0 I c1m cos t I c 2m cos 2t ... I cnm cos nt
其中各分量的振幅：
1 I c0 2
I c1m 1
1 i d ( t ) c 2
c
c
c
c
I cM
cost cos c I sin c c cos c d (t ) cM ( ) 0 ( c ) I cM 1 cos c 1 cos c
窄带谐振放大器
有源器件 谐振回路 采用具有滤 波特性的选 频网络作为 负载
丙类
四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同
相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。 不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。
ic ic
ic ic
Q
o o
o
eb
t
尖顶余弦脉冲
图3-5丙类状态下集电极电流波形
1、iC表达式:
u BE VBB U bm cost 由 iC g c (u BE U BZ ) iC g c (VBB U bm cost U BZ )(3 9)
图3-3
2, iC两参数:I CM 、c
另外，为了分析方便，根据理想化输入特性，将理想化输 出特性曲线中的参变量ib 改为ube。
图中 ib=7mA，由输入特性
可知，uce=0.68V时，对应 的ic=180mA；而 ib=0 时， ube=0.6V，在0.60V-0.68V之 间，可按每间隔0.02V画出
水平线，即得到以ube为参
变量的理想化特性曲线。这 样的理想化特性正好满足gc 为常数。
3第3章高频电路板的传输线设计
走线和下面的参考 层示意图：俯视图
横截面图：
返回电流： 沿着阻抗最小的路径 c 返回 注意：每一个信号，都有一个电流返回路径
走线和参考层中返回电流的分布：
参考层是地层的情况： 返回电流：从地层返回
参考层是电源层的情况：
Ref 1：电源层 Ref 2：地层
信号路径上的电流会在参考面电源层Ref1的上表面感应出涡流 参考面地层Ref2上的返回电流会在参考面电源层Ref1的下表面感应 出涡流 这两个涡流会联通
上冲后，反过来又低于高电平电压值的部分
在低电平处： 上冲后，反过来又高于低电平电压值的部分
过大的过冲电压和下冲电压： 长时间冲击，会损坏元器件
振铃Ring：指信号发生连续的过冲和反冲形成的震荡现象
振铃现象的特点： 震荡信号的幅度越来越小，最后趋于0
振铃现象的影响： 增加信号稳定的时间，影响系统的时序
如果不发生反射：铜模导线必须是绝对均匀，各处 的特征阻抗都相等 类似于：光的反射现象 引起特征阻抗发生改变的因素：
线宽变化、拐角、分支、线交叉、过孔、元器件的 管脚等。
2、高速信号反射分析模型
Vs：信号源的电压 入射电压Vinput：信号源 实际的施加电压
这里，做了近似：
VL：负载的电压 Zs：信号源的内阻 Z0：传输线的特征阻抗 ZL：负载的阻抗
2）根据法拉第感应定律，闭合回路中的磁通量发生变 化时，会产生感应电流和感应电动势。
回路越大，产生的磁场越大，同时受到外部磁场的影 响越大，就会产生电磁干扰。
电流到底沿着哪条路径返回？？？ 电流总是从阻抗最小的路径上流过
各种情况下的电流返回路径： （1）只有一个电源和一个负载
电流从电源的正极出发，经过负载后，回到电源 的负极 （2）单层、双层电路板
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
电信号在传输线上怎么传输？ 电信号在传输线上传输，类似于水流流过一根长的 水管子一样 水以波浪的形式流过水管：电信号也是以波的形式 在传输线中传输 水流过水管需要时间：电信号也需要花时间沿着传 输线传输 水压的大小：类似于传输线中的电压 水的流量：类似于电荷的数量 单位时间内水的流量：类似于电流的大小
回路面积的定义：指电流从信号源出发，通过走线到达 接收端，再通过接收端的地线返回信号源，电流所流过的 面积，称为回路面积 回路面积：由信号经过的走线和信号返回信号源的路径 共同决定
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
磁通最小化原理，回路面积越小越好： 最佳的电流返回路径：应该和信号路径平行，而且靠近 只有这样，信号路径和电流返 回路径产生的磁感线才会最大 程度的相互抵消
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
2、高速信号反射分析模型
这里，做了近似： 近似认为传输线各处的特性阻抗都相等，都是Z0 但是这种情况下还会形成反射：因为 信号源的内阻Zs和 传输线的特征阻抗Z0常常不相等 传输线的特征阻抗Z0和负载的阻抗ZL常常不相等
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Vs：信号源的电压 入射电压Vinput：信号源 实际的施加电压 VL：负载的电压 Zs：信号源的内阻 Z0：传输线的特征阻抗 ZL：负载的阻抗
第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
例子：信号源Vs上升沿为0.1ns，电压为3V的阶跃波形， 信号源的内阻为25Ω。传输线特征阻抗为50Ω，时延为1ns。 通常集成芯片的输入阻抗很大，这里假设ZL为无穷大
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
低频电路板：如果电路板中有的芯片的电流大，也需要 考虑返回电流和回路面积
例子：学生竞赛的电路板，返回电流设置不正确
二层电路板；左边一个地，右边一个地，使用磁珠L2连接；U1、 U3、U5、U9驱动电机，电流很大；U7有5根线和左侧连接 错误1）U7有5根线的返回电流从L2返回，返回路径过大
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第3章 高频电路板的传输线设计
Байду номын сангаас电路设计与制版
下冲（UnderShoot）：又称为反冲，指在过冲后，沿着跳 变的反方向，超过稳定的高电平或低电平的部分 在高电平处： 上冲后，反过来又低于高电平电压值的部分 在低电平处： 上冲后，反过来又高于低电平电压值的部分 过大的过冲电压和下冲电压： 长时间冲击，会损坏元器件
电路设计与制版
参考层是电源层的情况： Ref 1：电源层 Ref 2：地层
信号路径上的电流会在参考面电源层Ref1的上表面感应出涡流 参考面地层Ref2上的返回电流会在参考面电源层Ref1的下表面感应 出涡流 这两个涡流会联通
所以，闭合的 电流回路为：
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第3章 高频电路板的传输线设计
引起特征阻抗发生变化的因素： 线宽变化、拐角、分支、交叉、走线上的过孔、元器 件的管脚 铜模走线各处的特征阻抗：经常发生变化 一般为50 ~ 70Ω
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
表面微带线的特征阻抗为：
对称带状线的特征阻抗为：
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Vs：信号源的电压 入射电压Vinput：信号源 实际的施加电压 VL：负载的电压 Zs：信号源的内阻 Z0：传输线的特征阻抗 ZL：负载的阻抗
第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
多次反射的形成： 如果ZL= Z0，则Vinput全部到达负载，不会产生反射 否则，Vinput到达负载后，一部分电压会被反射回来 反射电压到达信号源端时：如果Zs和Z0不相等，就会产 生第二次反射。 信号会在源端和负载端形成多次反射
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
2、电路板中传输线的结构 分为微带线和带状线 1）微带线 指只有一个参考平面的铜模走线 分为表面微带线和嵌入式微带线 表面微带线：指电路板顶层和底层的走线，此走线附在 介质表面，暴露在空气中
俯视图 嵌入式微带线：指铜模 走线上覆盖了介质材料
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
（3）多层电路板 多层电路板：适合高速信号 返回电流路径： 从接收端出发， 在信号走线的下方的参考层返回 原因：这条路径有最小的阻抗 走线和下面的参考 层示意图：俯视图
横截面图：
返回电流： 沿着阻抗最小的路径 c 返回 注意：每一个信号，都有一个电流返回路径
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
电流到底沿着哪条路径返回？？？ 电流总是从阻抗最小的路径上流过 各种情况下的电流返回路径： （1）只有一个电源和一个负载 电流从电源的正极出发，经过负载后，回到电源 的负极 （2）单层、双层电路板 单层、双层电路板：适合于低频电路 没有铺地时：返回电流从接收端器件的地管脚出发， 经过地线，返回信号源 有铺地时：返回电流从接收端器件的地管脚出发， 经过铺地，选择一个电阻最小的路径，返回信号源
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横切面图
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第3章 高频电路板的传输线设计
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2）带状线 带状线：指有两个参考平面的铜模走线 在两个平面层中，被介质材料包围的铜模走线， 就是多层电路板中间信号层上的布线 分为对称带状线和不对称带状线
对称带状线： 走线距离两个平面 层之间的距离相等
不对称带状线： 走线距离两个平面 层的距离不相等
电路设计与制版
二、传输线的时序分析
1、电信号在走线中的传播速度
为自由空间的介电常数 εr：材料的相对介电常数
c为光在真空中的传播速度
实际应用中，所有材料的相对导磁率为1，所以 电路板FR-4的相对介电常数εr ： εr =4.2 ~ 4.7 铜模走线中信号的传播速度： 大约1.52×108m/s（ 15.2cm/ns ）
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
错误 2）： U1、U3、 U5、U9电源的返回电流也经过L2， 而U7的5根线的返回电流也流过L2， 由于U1、U3、 U5、U9的返回电流很大，所以会影响U7的5根线 的返回电流。
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2. 时延 时延：指信号在传输线上传输时，需要的时间 td：时延 ：传输线长度 V：信号的传输速度 例如：10cm长的铜模走线，时延为： 10 / 15.2 = 0.66ns
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走线的宽度： 顶层和底层的走线：6mil 中间层的走线：4mil
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3、特征阻抗 特征阻抗的定义：又称为特性阻抗，指信号沿传输线传 播时，受到的瞬时阻抗 铜模导线各处的特征阻抗：等于此处的电压除以此处的 电流 和传输线上的分布电感L、分布电容C、走线的材料、 绝缘层的介电常数有关 特征阻抗 Zo 的公式： Lo：单位长度上的电感 Co：单位长度上的电容
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振铃Ring：指信号发生连续的过冲和反冲形成的震荡现象
振铃现象的特点： 震荡信号的幅度越来越小，最后趋于0 振铃现象的影响： 增加信号稳定的时间，影响系统的时序
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走线和参考层中返回电流的分布：
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参考层是地层的情况：
返回电流：从地层返回
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第3章 高频电路板的传输线设计
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《电路设计与制版》
主讲教师：董 武 北京印刷学院 信息工程学院 电子信息教研室 Email: dongwu@
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
第3章 高频电路板的传输线设计
一、传输线原理 二、传输线的时序分析 三、传输线的反射 四、传输线的串扰和3W布线原则 五、传输线的设计原则
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第3章 高频电路板的传输线设计
电路设计与制版
4、传输线中信号的完整性
信号完整性：指信号在传输线上的质量 信号的上冲（过冲）、下冲（反冲）、振铃现象
上冲（OverShoot）：又称为过冲，指沿着信号边沿的跳 变方向，超过稳定的高电平或低电平的部分 在高电平处：高于高电平1稳定电压值的部分 在低电平处：低于低电平0稳定电压值的部分
下面的返回路径：不好