PCB新聞 - 高速PCB設計中的阻抗問題

在 印刷電路板 設計, 可控阻抗板和電路的特性阻抗困擾著許多中國工程師. 本文介紹了其基本特性, 通過簡單直觀的方法計算和量測特性阻抗.

在高速設計中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和常見的問題之一。 首先理解傳輸線的定義：傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成，一個導體用於發送訊號，另一個用於接收訊號（記住“回路”而不是“接地”的概念）。 在多層板中，每條線都是傳輸線的一個組成部分，相鄰的基準面可以用作第二條線或回路。 線路成為“高性能”輸電線路的關鍵是在整個線路中保持其特性阻抗恒定。

關鍵在於 電路板 成為“可控阻抗板”是為了使所有電路的特性阻抗滿足規定值, 通常在25歐姆到70歐姆之間. 在多層中 電路板, 良好傳輸線效能的關鍵是在整個線路中保持其特性阻抗恒定.

但特性阻抗到底是什麼？ 瞭解特性阻抗的最簡單方法是查看訊號在傳輸過程中遇到的情况。 當沿著具有相同橫截面的傳輸線移動時，這類似於圖1所示的微波傳輸。 假設向該輸電線路添加1伏的電壓階躍波。 例如，1伏蓄電池連接到傳輸線的前端（位於傳輸線和回路之間）。 一旦連接，電壓波訊號將以光速沿線路傳播。 傳播時，其速度通常約為6英寸/納秒。 當然，這個訊號實際上是傳輸線和環路之間的電壓差，可以從傳輸線的任何點和環路的相鄰點量測。

禪的方法是首先“產生一個訊號”，然後以每納秒6英寸的速度沿著這條傳輸線傳播。 第一個0.01納秒前進0.06英寸。 此時，發送線路具有多餘的正電荷，環路具有多餘的負電荷。 正是這兩種電荷之間的差异保持了兩個導體之間的1伏電壓差。 這兩個導體形成一個電容器。

在接下來的0.01納秒內，為了將0.06英寸傳輸線的電壓從0調整到1伏，需要向傳輸線添加一些正電荷，向接收線添加一些負電荷。 每移動0.06英寸，必須向傳輸線添加更多正電荷，向回路添加更多負電荷。 每0.01納秒，傳輸線的另一段必須充電，然後訊號開始沿著該段傳播。 電荷來自輸電線路前端的電池。 當沿著這條線路移動時，它對輸電線路的連續部分充電，從而在輸電線路和回路之間形成1伏的電壓差。 每前進0.01納秒，從電池中獲得一些電荷（Q），並且在恒定時間間隔（t）內流出電池的恒定功率（Q）是恒定電流。 流入回路的負電流實際上與流出的正電流相同，並且正處於訊號波的前端。 交流電流通過上下線路形成的電容器，結束整個迴圈。

線路阻抗

對於電池，當訊號沿著傳輸線傳播時，連續的0.06英寸傳輸線段每0.01納秒充電一次。 當從電源獲得恒定電流時，傳輸線看起來像一個阻抗，其阻抗值是恒定的，可以稱為傳輸線的“浪湧阻抗”。

類似地，當訊號沿線路傳播時，在下一步之前，在0.01納秒內，哪個電流可以將這一步的電壓新增到1伏？ 這涉及暫態阻抗的概念。

從電池的角度來看，如果訊號以穩定的速度沿著傳輸線傳播，並且傳輸線具有相同的橫截面，則在0.01納秒內的每一步都需要相同的電荷量才能產生相同的訊號電壓。 當沿著這條線路運行時，它將產生相同的暫態阻抗，這被視為傳輸線的特性，稱為特性阻抗。 如果傳輸過程中每個步驟的訊號特性阻抗相同，則傳輸線可以視為可控阻抗傳輸線。

暫態阻抗或特性阻抗對訊號傳輸的質量非常重要。 在傳輸過程中，如果下一步的阻抗等於上一步的阻抗，則工作可以順利進行，但如果阻抗發生變化，則會出現一些問題。

為了獲得最佳訊號質量，內部連接的設計目標是在訊號傳輸過程中盡可能保持阻抗穩定。 首先，傳輸線的特性阻抗必須保持穩定。 囙此，可控阻抗板的生產變得越來越重要。 此外，還使用了其他方法，如最短剩餘導線長度、末端移除和整根導線使用，以保持訊號傳輸中暫態阻抗的穩定性。

特性阻抗的計算

簡單特性阻抗模型：Z=V/I，Z表示訊號傳輸過程中每個步驟的阻抗，V表示訊號進入傳輸線時的電壓，I表示電流。 I=Q/t，Q表示電，t表示每一步的時間。

電（來自電池）：Q=C*V，C表示電容，V表示電壓。 電容可以由傳輸線每組織長度的容量CL和訊號傳送速率v推導得出。組織管脚的長度被視為速度，然後乘以每個步驟所需的時間t，然後得到公式：±C=CL*v*（±）t。結合上述各項， 我們可以得到特性阻抗：Z=V/I=V/（Q/t）=V/（C*V/t）=V/（CL*V*（±）t*V/t=1/（CL*V）

可以看出，特性阻抗與傳輸線的組織長度容量和訊號傳送速率有關。 為了區分特性阻抗與實際阻抗Z，我們在Z後加上0。傳輸線的特性阻抗為：Z0=1/（CL*v）

如果傳輸線的組織長度容量和訊號傳送速率保持不變，則傳輸線的特性阻抗也保持不變。 這種簡單的解釋可以將電容的常識與新發現的特性阻抗理論聯系起來。 如果新增傳輸線組織長度的容量，例如加厚傳輸線，則可以降低傳輸線的特性阻抗。

特性阻抗量測

當電池連接到傳輸線時（假設當時阻抗為50歐姆），將歐姆錶連接到3英尺長的RG58光纜。 此時如何量測無限阻抗？ 任何傳輸線的阻抗都與時間有關。 如果在短於光纜反射的時間內量測光纜的阻抗，則量測的是“浪湧”阻抗或特性阻抗。 但是，如果你等待足够長的時間，直到能量被反射回來並被接收，可以發現阻抗在量測後會發生變化。 一般來說，阻抗值在上下反彈後會達到一個穩定的極限值。

對於3英尺長的光纜，阻抗量測必須在3納秒內完成。 TDR（時域反射計）可以做到這一點，它可以量測傳輸線的動態阻抗。 如果在1秒內量測3英尺光纜的阻抗，訊號將來回反射數百萬次，從而產生不同的“浪湧”阻抗。

以上是對 印刷電路板科技 in high-speed design.