高速PCB設(shè)計(jì)中特性阻抗的基本特性

在高速設(shè)計(jì)中，很多中國工程師對(duì)可控阻抗板和電路的特性阻抗感到困惑。 本文通過簡單直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測量方法。

在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和電路的特性阻抗是最重要和最常見的問題之一。 首先我們來了解一下傳輸線的定義：傳輸線是由兩根具有一定長度的導(dǎo)體組成，其中一根導(dǎo)體用來發(fā)送信號(hào)，

另一個(gè)用于接收信號(hào)（記住“環(huán)路”取代了“地”的概念）。 在多層板中，每條線路都是傳輸線的一部分，相鄰的參考平面可以用作第二條線路或環(huán)路。 一條線路成為“性能良好”的傳輸線的關(guān)鍵是在整個(gè)線路中保持其特性阻抗恒定。

成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是讓所有電路的特性阻抗?jié)M足規(guī)定值，通常在25歐姆到70歐姆之間。 在多層電路板中，良好傳輸線性的關(guān)鍵是在整個(gè)電路中保持其特性阻抗恒定。

但什么是特性阻抗呢？ 了解特性阻抗的最簡單方法是查看信號(hào)在傳輸過程中遇到的情況。 當(dāng)沿著具有相同橫截面的傳輸線移動(dòng)時(shí)，這與圖1所示的微波傳輸類似。假設(shè)在此傳輸線上添加1伏電壓階躍波。 例如，將1伏電池連接到傳輸線的前端（位于傳輸線和環(huán)路之間）。 連接后，該電壓波信號(hào)以光速沿著線路傳播，其速度通常約為6英寸/納秒。 當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)實(shí)際上是傳輸線和環(huán)路之間的電壓差，可以從傳輸線的任意點(diǎn)和環(huán)路的相鄰點(diǎn)測量。

Zen的方法是“產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)”，然后以6英寸/納秒的速度沿著這條傳輸線傳播。 第一個(gè) 0.01 納秒前進(jìn) 0.06 英寸。 此時(shí)，發(fā)送線有多余的正電荷，而環(huán)路有多余的負(fù)電荷。 正是這兩種電荷之間的差異維持了兩個(gè)導(dǎo)體之間 1 伏的電壓差，從而形成了一個(gè)電容器。

在接下來的 0.01 納秒內(nèi)，將 0.06 英寸傳輸線的電壓從 0 伏調(diào)整到 1 伏。 這需要向傳輸線添加一些正電荷，向接收線添加一些負(fù)電荷。 每移動(dòng) 0.06 英寸，就必須向傳輸線添加更多的正電荷，并且必須向電路添加更多的負(fù)電荷。 每 0.01 納秒，傳輸線的另一部分必須充電，然后信號(hào)開始沿著該部分傳輸。 電荷來自傳輸線前端的電池。 當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，它會(huì)對(duì)傳輸線的連續(xù)部分充電，從而在傳輸線和環(huán)路之間形成1伏的電壓差。 每前進(jìn) 0.01 納秒，就會(huì)從電池中獲得一些電量 (± Q)。 在一定時(shí)間間隔（±t）內(nèi)從電池流出的恒定電量（±Q）就是恒定電流。 流入環(huán)路的負(fù)電流實(shí)際上等于流出的正電流，并且正好位于信號(hào)波的前端。 交流電流通過上下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)周期。

對(duì)于電池來說，當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí)，傳輸線段每0.01納秒連續(xù)充電0.06英寸。 當(dāng)從電源獲得恒定電流時(shí)，傳輸線看起來就像一個(gè)阻抗器件，其阻抗值是恒定的，可以稱為傳輸線的“浪涌阻抗”。同樣，當(dāng)信號(hào)沿著線路傳播時(shí)，哪個(gè)電流可以在下一步之前的 0.01 納秒內(nèi)將這一步的電壓升高到 1 伏？ 這就涉及到瞬時(shí)阻抗的概念。

從電池的角度來看，如果信號(hào)以穩(wěn)定的速度沿著傳輸線傳播，并且傳輸線具有相同的橫截面，那么在0.01納秒內(nèi)每次還需要相同數(shù)量的電荷才能產(chǎn)生相同的信號(hào)電壓。

當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相同的瞬時(shí)阻抗，這被視為傳輸線的一個(gè)特性，稱為特性阻抗。 如果信號(hào)在傳輸過程的每一步的特性阻抗都相同，則可以將傳輸線視為阻抗可控傳輸線。

瞬時(shí)阻抗或特性阻抗對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量非常重要。 在傳輸過程中，如果下一步的阻抗與上一步的阻抗相等，工作就能順利進(jìn)行，但如果阻抗發(fā)生變化，就會(huì)出現(xiàn)一些問題。

為了達(dá)到最佳的信號(hào)質(zhì)量，內(nèi)部連接的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號(hào)傳輸過程中盡可能保持阻抗穩(wěn)定。 首先，必須保持傳輸線特性阻抗的穩(wěn)定性。 因此，可控阻抗板的生產(chǎn)變得越來越重要。 此外，還采用盡量減少殘線長度、去除端子、全線使用等方法來維持信號(hào)傳輸中瞬時(shí)阻抗的穩(wěn)定性。

特性阻抗的計(jì)算

簡單的特性阻抗模型：Z=V/I，Z表示信號(hào)傳輸過程中每一步的阻抗，V表示信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)的電壓，I表示電流。 I=±Q/±t，其中Q表示電量，t表示每一步的時(shí)間。

功率（來自電池）：±Q=±C×5。C代表電容，V代表電壓。 電容可以由傳輸線單位長度的電容CL和信號(hào)傳輸速度v得出。以單位引腳的長度作為速度，乘以每一步所需的時(shí)間t，得到公式：±C =CL×v×(±)t。 由上式可得特性阻抗：Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t × V/±t)=1/(CL × v)

可見，特性阻抗與傳輸線單位長度的容量和信號(hào)傳輸速度有關(guān)。 為了區(qū)分特性阻抗和實(shí)際阻抗Z，我們?cè)赯后面加0。傳輸線的特性阻抗為：Z0=1/(CL × v)。