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高速PCB設計指南之十：特性阻抗問題

2015/03/20

Levi

9603

在高速設計中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國工程師。本文通過簡單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質、計算和測量方法。
　　在高速設計中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成，一個導體用來發送信號，另一個用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關鍵是使它的特性阻抗在整個線路中保持恒定。
　　線路板成為“可控阻抗板”的關鍵是使所有線路的特性阻抗滿足一個規定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。
　　但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最簡單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當沿著一條具有同樣橫截面傳輸線移動時，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發送線路和回路之間)，一旦連接，這個電壓波信號沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當然，這個信號確實是發送線路和回路之間的電壓差，它可以從發送線路的任何一點和回路的相臨點來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。
　　Zen的方法是先“產生信號”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個0.01納秒前進了0.06英寸，這時發送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導體之間的1伏電壓差，而這兩個導體又組成了一個電容器。
　　在下一個0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調整到1伏特，這必須加一些正電荷到發送線路，而加一些負電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發送線路，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線路的另外一段進行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當沿著這條線移動時，就給傳輸線的連續部分充電，因而在發送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進0.01納秒,就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時間間隔(±t)內從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負電流實際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結束整個循環過程。過程如圖3所示。
線路的阻抗
　　對電池來說，當信號沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01納秒對連續0.06英寸傳輸線段進行充電。從電源獲得恒定的電流時，傳輸線看起來像一個阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱為傳輸線路的“浪涌”阻抗(surge impedance)。
　　同樣地，當信號沿著線路傳播時，在下一步之前，0.01納秒之內，哪一種電流能把這一步的電壓提高到1伏特？這就涉及到瞬時阻抗的概念。
　　從電池的角度看時，如果信號以一種穩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納秒中每前進一步需要相同的電荷量，以產生相同的信號電壓。當沿著這條線前進時，會產生同樣的瞬時阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱為特性阻抗。如果信號在傳遞過程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認為是可控阻抗傳輸線。
　　瞬時阻抗或特性阻抗，對信號傳遞質量而言非常重要。在傳遞過程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可順利進行，但若阻抗發生變化，那會出現一些問題。
　　為了達到最佳信號質量，內部連接的設計目標是在信號傳遞過程中盡量保持阻抗穩定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩定，因此，可控阻抗板的生產變得越來越重要。另外，其它的方法如余線長度最短化、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩定。

特性阻抗的測量
　　當電池和傳輸線連接時(假如當時阻抗為50歐姆)，將歐姆表連接在3英尺長的RG58光纜上，這時如何測無窮阻抗呢？任何傳輸線的阻抗都和時間有關。如果你在比光纜反射更短的時間里測量光纜的阻抗，你測量到的是“浪涌”阻抗，或特性阻抗。但是如果等待足夠長的時間直到能量反射回來并接收后，經測量可發現阻抗有變化。一般來說，阻抗值上下反彈后會達到一個穩定的極限值。
　　對于3英尺長的光纜，必須在3納秒內完成阻抗的測量。TDR(時間域反射儀)能做到這一點，它可以測量傳輸線的動態阻抗。如果在1秒鐘內測量3英尺光纜的阻抗，信號會來回反射數百萬次，因此會得到不同的“浪涌”阻抗。

特性阻抗的計算
　　簡單的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信號傳遞過程中每一步的阻抗，V代表信號進入傳輸線時的電壓，I代表電流。I=±Q/±t，Q代表電量，t代表每一步的時間。
　　電量(來源于電池)：±Q=±C×V，C代表電容，V代表電壓。電容可以用傳輸線單位長度容量CL和信號傳遞速度v來推導。單位引腳的長度值當作速度，再乘以每步所需時間t, 則得到公式: ±C=CL×v×(±)t。
綜合以上各項，我們可以得出特性阻抗：
　　Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v)
　　可以看出，特性阻抗跟傳輸線單位長度容量和信號傳遞速度有關。為了區別特性阻抗和實際阻抗Z，我們在Z后面加上0。傳輸線特性阻抗為：Z0=1/(CL×v)
　　如果傳輸線單位長度容量和信號傳遞速度保持不變，那么傳輸線特性阻抗也保持不變。這個簡單的說明能將電容常識和新發現的特性阻抗理論聯系在一起。如果增加傳輸線單位長度容量，例如加粗傳輸線，可降低傳輸線特性阻抗。