高速PCB设计中特性阻抗的基本特性

高速PCB设计中特性阻抗的基本特性

在高速设计中，很多中国工程师对可控阻抗板和电路的特性阻抗感到困惑。 本文通过简单直观的方法介绍了特性阻抗的基本性质、计算和测量方法。

在高速设计中，可控阻抗板和电路的特性阻抗是最重要和最常见的问题之一。 首先我们来了解一下传输线的定义：传输线是由两根具有一定长度的导体组成，其中一根导体用来发送信号，

另一个用于接收信号（记住“环路”取代了“地”的概念）。 在多层板中，每条线路都是传输线的一部分，相邻的参考平面可以用作第二条线路或环路。 一条线路成为“性能良好”的传输线的关键是在整个线路中保持其特性阻抗恒定。

成为“可控阻抗板”的关键是让所有电路的特性阻抗满足规定值，通常在25欧姆到70欧姆之间。 在多层电路板中，良好传输线性的关键是在整个电路中保持其特性阻抗恒定。

但什么是特性阻抗呢？ 了解特性阻抗的最简单方法是查看信号在传输过程中遇到的情况。 当沿着具有相同横截面的传输线移动时，这与图1所示的微波传输类似。假设在此传输线上添加1伏电压阶跃波。 例如，将1伏电池连接到传输线的前端（位于传输线和环路之间）。 连接后，该电压波信号以光速沿着线路传播，其速度通常约为6英寸/纳秒。 当然，这个信号实际上是传输线和环路之间的电压差，可以从传输线的任意点和环路的相邻点测量。

Zen的方法是“产生一个信号”，然后以6英寸/纳秒的速度沿着这条传输线传播。 第一个 0.01 纳秒前进 0.06 英寸。 此时，发送线有多余的正电荷，而环路有多余的负电荷。 正是这两种电荷之间的差异维持了两个导体之间 1 伏的电压差，从而形成了一个电容器。

在接下来的 0.01 纳秒内，将 0.06 英寸传输线的电压从 0 伏调整到 1 伏。 这需要向传输线添加一些正电荷，向接收线添加一些负电荷。 每移动 0.06 英寸，就必须向传输线添加更多的正电荷，并且必须向电路添加更多的负电荷。 每 0.01 纳秒，传输线的另一部分必须充电，然后信号开始沿着该部分传输。 电荷来自传输线前端的电池。 当沿着这条线移动时，它会对传输线的连续部分充电，从而在传输线和环路之间形成1伏的电压差。 每前进 0.01 纳秒，就会从电池中获得一些电量 (± Q)。 在一定时间间隔（±t）内从电池流出的恒定电量（±Q）就是恒定电流。 流入环路的负电流实际上等于流出的正电流，并且正好位于信号波的前端。 交流电流通过上下线路组成的电容，结束整个周期。

对于电池来说，当信号沿着传输线传播时，传输线段每0.01纳秒连续充电0.06英寸。 当从电源获得恒定电流时，传输线看起来就像一个阻抗器件，其阻抗值是恒定的，可以称为传输线的“浪涌阻抗”。同样，当信号沿着线路传播时，哪个电流可以在下一步之前的 0.01 纳秒内将这一步的电压升高到 1 伏？ 这就涉及到瞬时阻抗的概念。

从电池的角度来看，如果信号以稳定的速度沿着传输线传播，并且传输线具有相同的横截面，那么在0.01纳秒内每次还需要相同数量的电荷才能产生相同的信号电压。

当沿着这条线移动时，会产生相同的瞬时阻抗，这被视为传输线的一个特性，称为特性阻抗。 如果信号在传输过程的每一步的特性阻抗都相同，则可以将传输线视为阻抗可控传输线。

瞬时阻抗或特性阻抗对于信号传输的质量非常重要。 在传输过程中，如果下一步的阻抗与上一步的阻抗相等，工作就能顺利进行，但如果阻抗发生变化，就会出现一些问题。

为了达到最佳的信号质量，内部连接的设计目标是在信号传输过程中尽可能保持阻抗稳定。 首先，必须保持传输线特性阻抗的稳定性。 因此，可控阻抗板的生产变得越来越重要。 此外，还采用尽量减少残线长度、去除端子、全线使用等方法来维持信号传输中瞬时阻抗的稳定性。

特性阻抗的计算

简单的特性阻抗模型：Z=V/I，Z表示信号传输过程中每一步的阻抗，V表示信号进入传输线时的电压，I表示电流。 I=±Q/±t，其中Q表示电量，t表示每一步的时间。

功率（来自电池）：±Q=±C×5。C代表电容，V代表电压。 电容可以由传输线单位长度的电容CL和信号传输速度v得出。以单位引脚的长度作为速度，乘以每一步所需的时间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)

可见，特性阻抗与传输线单位长度的容量和信号传输速度有关。 为了区分特性阻抗和实际阻抗Z，我们在Z后面加0。传输线的特性阻抗为：Z0=1/(CL × v)。