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近年來(lái)，高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)越來(lái)越重要也是越來(lái)越為設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注議題就是受控阻抗的電路板設(shè)計(jì)以及電路板上互聯(lián)線的特征阻抗。然而，對(duì)于非電子的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)最容易混淆也最不直觀的問(wèn)題。甚至很多的電子設(shè)計(jì)工程師對(duì)此也同樣感到困惑。這篇資料將對(duì)特征阻抗作一個(gè)簡(jiǎn)要而直觀的介紹，希望幫助大家了解傳輸線最基本的品質(zhì)。

什么是傳輸線？

什么是傳輸線？?jī)蓚€(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體就構(gòu)成傳輸線。其中的一個(gè)導(dǎo)體成為信號(hào)傳播的通道，而另外的一個(gè)導(dǎo)體則構(gòu)成信號(hào)的返回通路（在這里我們提到信號(hào)的返回通路，實(shí)際上就是大家通常理解的地，但是為了敘述的方便，暫且忘掉地這一概念。）。在一個(gè)多層的電路板設(shè)計(jì)中，每一個(gè)PCB互聯(lián)線都構(gòu)成傳輸線中的一個(gè)導(dǎo)體，該傳輸線都將臨近的參考平面作為傳輸線的的第二個(gè)導(dǎo)體或者叫做信號(hào)的返回通路。什么樣的PCB互聯(lián)線是一個(gè)好的傳輸線呢？通常如果在同一個(gè)PCB互聯(lián)線上特征阻抗處處保持一致，這樣的傳輸線就成為高質(zhì)量的傳輸線。什么樣的電路板叫做受控阻抗的電路板？受控阻抗的電路板是指PCB板上所有傳輸線的特征阻抗符合統(tǒng)一的目標(biāo)規(guī)范，通常是指所有傳輸線的特征阻抗的值在25Ω到70Ω之間。

從信號(hào)的角度來(lái)考察

考慮特征阻抗最行之有效的辦法是考察信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí)信號(hào)本身看到了什么。為簡(jiǎn)化問(wèn)題的討論起見(jiàn)，假定傳輸線為微波傳輸帶（microstrip）類(lèi)型，并且信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)傳輸線各處的橫斷面保持一致。

給該傳輸線加入幅度為1V的階躍信號(hào)。階躍信號(hào)是一個(gè)1V的電池，由前端接入，分別連接在信號(hào)線和返回通路之間。在接通電池的瞬間，信號(hào)電壓波形將以光速在電介質(zhì)中行進(jìn)，速度通常約為6英寸/ns（信號(hào)為什么行進(jìn)如此快速，而不是接近電子傳播的速度大約1cm/s，這是另外一個(gè)話題，這里不做進(jìn)一步介紹）。當(dāng)然在這里信號(hào)仍然具有常規(guī)的定義，信號(hào)定義為信號(hào)線與返回通路上的電壓差，總是通過(guò)測(cè)量傳輸線上任何一點(diǎn)與之臨近的信號(hào)返回通路之間的電壓差值來(lái)獲得。

信號(hào)沿傳輸線方向以6英寸/ns的速度向前傳輸。在傳輸?shù)倪^(guò)程中信號(hào)會(huì)遇到什么樣的情況呢？在最開(kāi)始的10ps時(shí)間間隔內(nèi)，信號(hào)沿傳輸線方向行進(jìn)了0.06英寸的距離。假定鎖定時(shí)間在這一時(shí)刻，來(lái)考慮傳輸線發(fā)生的情況。在行進(jìn)的這一段距離上，信號(hào)的傳輸為這一段傳輸線和相應(yīng)臨近的信號(hào)返回通道之間建立起了穩(wěn)定的幅度為1V的常量信號(hào)。這意味著在行進(jìn)的這一段傳輸線和對(duì)應(yīng)的返回路徑上已經(jīng)積聚起了額外的正電荷和額外的負(fù)電荷來(lái)建立這一穩(wěn)定的電壓。也正是這些電荷的差異在這兩個(gè)導(dǎo)體之間建立并維持了一個(gè)穩(wěn)定的1 V 電壓信號(hào)，而導(dǎo)體之間穩(wěn)定的電壓信號(hào)就為兩個(gè)導(dǎo)體之間建立了一個(gè)電容。

傳輸線上位于這一時(shí)刻信號(hào)波前后面的傳輸線段并不清楚會(huì)有信號(hào)要傳播過(guò)來(lái)，因而仍然維持信號(hào)線同返回通路之間的電壓為零。在接下來(lái)的10ps時(shí)間間隔內(nèi)，信號(hào)又會(huì)沿傳輸線行進(jìn)一定的距離，信號(hào)繼續(xù)傳播的結(jié)果是又會(huì)在另一段長(zhǎng)度為0.06英寸的傳輸線段同對(duì)應(yīng)的信號(hào)返回通路之間的建立起 1V的信號(hào)電壓。而為了做到這一點(diǎn)，必須為信號(hào)線注入一定量的正電荷，同時(shí)為信號(hào)的返回通路注入同等數(shù)量的負(fù)電荷。信號(hào)沿傳輸線每傳播0.06英寸的長(zhǎng)度，都會(huì)有更多的正電荷注入該信號(hào)線，也會(huì)有更多的負(fù)電荷注入信號(hào)返回通路。每隔10ps時(shí)間間隔，就會(huì)有另外一段傳輸線被充電到1 V，同時(shí)信號(hào)也會(huì)沿傳輸線方向繼續(xù)向前傳播。

這些電荷從何而來(lái)？答案是來(lái)自信號(hào)源，也就是我們用來(lái)提供階躍信號(hào)、連接在傳輸線前端的電池。隨著信號(hào)在傳輸線上的傳播，信號(hào)不斷地為傳播經(jīng)過(guò)的傳輸線段充電，確保信號(hào)傳輸過(guò)程中所到之處信號(hào)線與返回路徑之間建立并維持起1 V的電壓。每隔10ps時(shí)間間隔，信號(hào)會(huì)在傳輸線上傳播一定的距離，并且從電源系統(tǒng)中汲取一定數(shù)量的電荷δQ。電池在一段時(shí)間間隔δt內(nèi)的向外提供一定數(shù)量的電荷δQ，就形成了恒定的信號(hào)電流。正的電流會(huì)從電池流入信號(hào)線，而與此同時(shí)同樣大小的負(fù)電流會(huì)流經(jīng)信號(hào)的返回路徑。

流經(jīng)信號(hào)返回通路的負(fù)電流同流入信號(hào)線的正電流大小完全一致。而且，就在信號(hào)波前的位置，AC電流流經(jīng)由信號(hào)線和信號(hào)返回通路構(gòu)成的電容，完成了信號(hào)環(huán)路。

傳輸線的特征阻抗

從電池的角度來(lái)看，一旦設(shè)計(jì)工程師將電池的引線連入傳輸線的前端，就總有一個(gè)常量值的電流從電池中流出，并且保持電壓信號(hào)的穩(wěn)定不變。也許有人會(huì)問(wèn)，是什么樣的電子元器件具有這樣的行為？加入恒定不變的電壓信號(hào)時(shí)會(huì)維持恒定不變的電流值，當(dāng)然是電阻。
    而對(duì)電池來(lái)說(shuō)，信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí)，每隔10ps時(shí)間間隔，會(huì)新增加0.06英寸的傳輸線段被充電至1V，從電池中獲得的新增加的電荷確保從電池中維持一個(gè)穩(wěn)定的電流，從電池吸收恒定的電流，傳輸線就等同于一個(gè)電阻，并且阻值恒定。我們稱(chēng)之為傳輸線的浪涌阻抗。

同樣，當(dāng)信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí)，每傳播一定的距離，信號(hào)會(huì)不斷地探查信號(hào)線的電環(huán)境，并且試圖確定信號(hào)進(jìn)一步向前傳播時(shí)的阻抗。一旦信號(hào)已經(jīng)加入到傳輸線上并且沿傳輸線向前傳播，信號(hào)本身就一直在考查到底需要多大的電流來(lái)充電10ps 時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的傳輸線長(zhǎng)度，并保持將這一部分的傳輸線段充電到1V。這正是我們要分析的瞬間阻抗值。

從電池本身的角度來(lái)看，如果信號(hào)以恒定的速度沿傳輸線方向傳播，而且假定傳輸線具有一致的橫斷面，那么信號(hào)每傳播一個(gè)固定的長(zhǎng)度（比如10ps時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)傳播的距離），那么需要從電池中獲取同等數(shù)量的電荷來(lái)確保將這一段傳輸線充電到同樣的信號(hào)電壓。信號(hào)每傳播一個(gè)固定的距離，都會(huì)從電池獲取同樣的電流，并且保持信號(hào)電壓一致，在信號(hào)傳播過(guò)程中，傳輸線上各處的瞬間阻抗都是一致的。

信號(hào)沿傳輸線傳播過(guò)程當(dāng)中，如果傳輸線上各處具有一致的信號(hào)傳播速度，并且單位長(zhǎng)度上的電容也一樣，那么信號(hào)在傳播過(guò)程中總是看到完全一致的瞬間阻抗。由于在整個(gè)傳輸線上阻抗維持恒定不變，我們給出一個(gè)特定的名稱(chēng)，來(lái)表示特定的傳輸線的這種特征或者是特性，稱(chēng)之為該傳輸線的特征阻抗。特征阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，信號(hào)看到的瞬間阻抗的值。如果信號(hào)沿傳輸線在傳播的過(guò)程當(dāng)中，任何時(shí)候信號(hào)看到的特征阻抗都保持一致的話，那么這樣的傳輸線就稱(chēng)為受控阻抗的傳輸線。

傳輸線特征阻抗是設(shè)計(jì)中最重要的因素

傳輸線的瞬間阻抗或者是特征阻抗是影響信號(hào)品質(zhì)的最重要的因素。如果信號(hào)傳播過(guò)程中，相鄰的信號(hào) 傳播間隔之間阻抗保持一致，那么信號(hào)就可以十分平穩(wěn)地向前傳播，因而情況變得十分簡(jiǎn)單。如果相鄰的信號(hào)傳播間隔之間存在差異，或者說(shuō)阻抗發(fā)生了改變，信號(hào)中能量的一部分就會(huì)往回反射，信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性也會(huì)被破壞。

為了確保最佳的信號(hào)質(zhì)量，信號(hào)互聯(lián)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要確保信號(hào)在傳輸過(guò)程中看到的阻抗盡可能地保持恒定不變。這里主要是指要保持傳輸線的特征阻抗為常量。所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造受控阻抗的PCB板就變得越來(lái)越重要。而至于任何其它的設(shè)計(jì)訣竅諸如最小化金手指長(zhǎng)度、終端匹配、菊花鏈連接或者是分支連接等等都是為了確保信號(hào)能夠看到一致的瞬間阻抗。

特征阻抗的計(jì)算

從上述簡(jiǎn)單的模型中我們可以推算出特征阻抗的值，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中看到的瞬間阻抗的值。信號(hào)在每一個(gè)傳播間隔里看到的阻抗Z有同基本的關(guān)于阻抗的定義一致
    Z=V/I
    這里的電壓V是指加入到傳輸線上的信號(hào)電壓，而電流I是指在每一個(gè)時(shí)間間隔δt內(nèi)從電池中得到的電荷總量δQ，所以
    I=δQ/δt
    流入傳輸線中的電荷（這些電荷最終來(lái)自信號(hào)源），用于將信號(hào)在傳播過(guò)程中新增的信號(hào)線與返回通路之間構(gòu)成的電容δC充電至電壓V，所以
    δQ=VδC
    我們可以將信號(hào)在傳播過(guò)程中每行進(jìn)一定的距離而導(dǎo)致的電容同傳輸線單位長(zhǎng)度上的電容值CL以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度U聯(lián)系起來(lái)。同時(shí)信號(hào)傳播的距離是速度U乘以時(shí)間間隔δt。所以
    δC= CL U δt
    將以上所有的等式結(jié)合起來(lái)，我們可以推導(dǎo)出來(lái)瞬間阻抗為：
    Z=V/I=V/（δQ/δt）=V/（VδC/δt）=V/（V　CL U δt /δt）=1/（CL U）
    可以看到瞬間阻抗同單位傳輸線長(zhǎng)度上的電容值以及信號(hào)傳輸?shù)乃俣扔嘘P(guān)。同樣也可以人為這就是傳輸線特征阻抗的定義。為了將特征阻抗從實(shí)際阻抗Ｚ中區(qū)分開(kāi)來(lái)，特意為特征阻抗加入一個(gè)下標(biāo)０，從上面的推導(dǎo)中已經(jīng)得到了信號(hào)傳輸線的特征阻抗：
    Ｚ０＝１／（CL U）
    如果傳輸線上單位長(zhǎng)度的電容值以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度保持為常量，那么該傳輸線就在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)具有恒定不變的特征阻抗，這樣的傳輸線就稱(chēng)之為受控阻抗的傳輸線。

從以上簡(jiǎn)要的說(shuō)明中看出，關(guān)于電容的一些直觀的認(rèn)識(shí)可以同新發(fā)現(xiàn)的特征阻抗的直觀的認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來(lái)。換句話說(shuō)，如果把PCB中的信號(hào)連線拓寬，那么傳輸線單位長(zhǎng)度上的電容值就會(huì)增大，而傳輸線的特征阻抗就可以降低。

耐人尋味的話題

經(jīng)常可以聽(tīng)到有關(guān)傳輸線特征阻抗的一些混淆的說(shuō)法。通過(guò)上面的分析知道，將信號(hào)源連接到傳輸線上之后，應(yīng)該可以看到某一個(gè)值的傳輸線特征阻抗，舉例來(lái)說(shuō)５０Ω，然而如果將一個(gè)歐姆表同一段３英尺長(zhǎng)的ＲＧ５８線纜連接時(shí)，測(cè)量到的阻抗卻是無(wú)窮大。

問(wèn)題的答案在于從任何傳輸線前端看過(guò)去的阻抗值是隨時(shí)間變化的。如果測(cè)量線纜阻抗的時(shí)間短到可以和信號(hào)在線纜中來(lái)回往返一次的時(shí)間可以比擬時(shí)，你就可以測(cè)量到該線纜的浪涌阻抗或者又稱(chēng)為線纜的特征阻抗。然而如果等待足夠的時(shí)間的話，就會(huì)有一部分能量反射回來(lái)并且為測(cè)量?jī)x器檢測(cè)到，這時(shí)就可以檢測(cè)到阻抗的變化，通常情況下，在這一過(guò)程中，阻抗會(huì)來(lái)回變化，直到阻抗值達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)：如果線纜的末端是開(kāi)路，最終的阻抗值為無(wú)窮大，如果線纜的末端是短路，最終的阻抗值為零。

對(duì)于３英尺長(zhǎng)的ＲＧ５８線纜來(lái)說(shuō)，必須在小于３ns的時(shí)間間隔內(nèi)完成阻抗的測(cè)量過(guò)程。這就是時(shí)域反射計(jì)（TDR）要完成的工作。TDR可以測(cè)量傳輸線的動(dòng)態(tài)阻抗。如果需要花1s的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量３英尺長(zhǎng)的ＲＧ５８線纜的阻抗，那么在這一段時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)已經(jīng)來(lái)回反射了幾百萬(wàn)次，那么你可能從阻抗的巨大的變動(dòng)中得到完全不同的阻抗的值，最終得到的結(jié)果是無(wú)窮大，因?yàn)榫€纜的終端是開(kāi)路。