如何判断是否需要使用匹配传输线？

单从SI的角度出发，一个使用匹配传输线的非常粗略的原则是，当信号沿着整个线条从源到最远端负载的传播时间（t_p）等于或超过信号真实上升时间的一半时（t_p≥t_r/2）就应该使用匹配传输线。假如信号的真实下降时间（t_f）短于它的真实上升时间t_r时，则上式中应采用t_f来代替t_r。

当t_p≥t_r/2时，必须考虑使用传输线技术的主要原因是，只有在这样做的情况下，从SI来说，波形的失真和眼孔图的闭合程度才是可以接受的。但有些设计工程师较为慎重，他们推荐在t_p超过t_r/3或者甚至在更短的情况下就采用传输线技术。

使用这个原则的一个主要目的是要确保由于一个失配线条所引起的第一个反射发生在信号的上升沿（或下降沿）期间。这样，在这期间所发生的反射将会被（希望如此）信号的上升沿所掩盖，而不会对接收器的接收产生任何不良影响。假如，线条长度长到它的第一个反射发生在一个逻辑转换完成以后，由这个结果可以很容易导致双重时钟信号的形成，或出现其他虚拟数字信号。因此，在这类情况下，必须使用传输线技术。但光凭上述的粗略原则来做出是否需要采用传输线技术的判断往往是不够的。因为，对有些器件的SI来说，过度的上冲和振铃仍可能发生。况且，产品设计中，在为了获得最高成本效益比（性价比）条件下，它们仍然无法做到对EMC进行有效控制的要求。

假如，一个线条的长度为l_t以及沿着线条长度上的传播速度为v，那么在线条上的传播时间t_p由下式给出：

因此，我们可以将上述的指导原则改写为：从SI的观点出发，当

或者短于上式给出值时，就必须使用传输线技术。

例如，有一个设计在k=4.2的FR4 PCB中的带状线，在裸板时信号的传播速度为6.8ps/mm。那么，就一个上升/下降时间为2ns的数字信号（实测数据，不是来自数据手册的值）来说，为了获得可以接受的SI，在该带状线长度上长于147mm的情况下都需要使用匹配传输线（有时，为了慎重起见，上列的建议值需要缩短到98mm）。

为了节省时间，我们都喜欢使用较为简单的计算方法。但我们也必须意识到，上述的指导原则的确仅是非常粗略的估算方法。它们对有关逻辑阀值、眼孔图和EMC的假定并不总是适用其他类型的元器件。它们不仅没有考虑通孔和元件作为电容性负载对传播速度v和特性阻抗Z₀的影响，而且它们也没有将由通孔和不完善平面所引起的返回通路电感考虑其中。

倘若设计工程师能将上述所提及的那些因素考虑在他们的设计中，那么，设计工程师就可以在较短的时间内获得比那些仅仅按照前面的粗略估算更为完善的设计。事实上，为了获得良好的SI，当t_p超过t_r/3，并处在t_r/3和t_r/10之间的一个值时，最终设计就很可能要求使用传输线技术。

图2-5-6显示了上升/下降时间相对于线条长度的参考曲线。读者可以很容易地从图中查找出何时需要使用传输线。图2-5-7所给出的为类似曲线。但它是用于为了获得良好SI目的的参考曲线。

图2-5-6 在FR4 PCBs上使用传输线的参考曲线

（对于其他介质，调整使用不同的k值）

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图2-5-7 用于信号完整性的传输线使用参考曲线

（这里使用的FR4，对其他介质，调整使用不同的k值）t_p=信号沿着线条整个长度传播所需要的时间

我们从前面的图2-5-3中已经看到，当在一个FR4 PCB裸板上的一个简单线条长度大约为所关心的最高频率波长的1/40时，它所具有的意外天线效率大约为-20dB。为了防止线条变成比这个更为有效的天线，以获得良好的EMC性能，前述的粗略估算公式：t_p≥t_r/2应改写为t_p≥t_r/8，并以此来作为决定是否使用匹配传输线的线条长度的依据。从频率的角度出发，我们可以将上述公式重写为

这里，f——所关心的最高频率。

当然，在更短的线条上使用传输线技术会更进一步改善EMC性能。从EMC角度考虑，更为保守的做法是当t_p等效并超过t_r/12时就应该使用传输线技术。继续前面用于SI的例子，为了取得良好的EMC性能，结果应该是在任何长度上超过37mm的线条上（或者使用更为保守的做法时的25mm）就使用一个匹配传输线。

我们已经指出，前面所使用的EMC粗略估算值是经过大大简化的假定所形成的。但在工程实践中，为了留有充分的工程裕度，往往在t_p超过t_r/12，并处在t_r/12和t_r/40之间的一个值的情况下就要考虑使用匹配传输线。

图2-5-8以索引方式为设计工程师提供了，为了获得良好EMC性能，上升/下降时间与线条长度之间所存在的相互关系。

图2-5-8 用于EMC的传输线使用参考曲线

（这里使用的是FR4，对于其他材料，调整使用不同的k值）t_p=信号沿着线条整个长度传播所需要的时间

为了获得良好的SI以及避免上图中所提供相互关系中所存在的精确程度的不肯定性（可能出现的误差），我们推荐对PCB采用模拟技术。即，对最终设计中所有传播时间为t_p≥t_r/10，或t_p≥1/（10πf）的裸板线条进行模拟（在最终PCB布局全部完毕，并在加载条件下）。

而为了获得最终设计的良好EMC性能，至少要对所有携载“活跃”或“敏感”信号的那些传播时间为t_p≥t_r/40，或t_p≥1/（40πf）的线条上应该这样做（这里，f仍然是所关心的最高频率）。

计算机模拟程序所需要的花费变得越来越为大多数用户所能承受。并且，在现代PCB布局设计中对模拟程序的需求也急剧增加（关于模拟问题在本章的后面有关小节中还要加以讨论）。在无法进行模拟的场合，传输线匹配更是必不可少的。在大多数有关的教科书中都会给出一些简单的用来计算（或估算）考虑到包括通孔、短截线、负载电容和不完善返回电流通路等所造成影响情况下公式或指导原则。这些计算当然不如模拟程序来得精确。所以，通常我们都会建议在这些计算结果上附加25%的工程宽余量。

假如，既不能使用模拟程序，又无从获得有关计算公式，那么，可以采用一个所谓的强制性的做法来代替它们。为了获得良好的SI，这个做法要求信号传播时间为t_p≥t _r/10或t_p≥1/（10πf）的所有线条都必须使用精确匹配传输线。相类似的，为了获得良好的EMC，这个做法则要求信号传播时间为t_p≥t_r/40，或t_p≥1/（40πf）的所有线条都必须使用精确匹配传输线。