PCB新聞 - 特性阻抗簡介

近年來, 高速設計領域中一個越來越重要的問題是具有受控阻抗的電路板的設計和互連線路的特性阻抗 PCB板. 然而, 非電子設計工程師, 這也是最令人困惑和最不直觀的問題. 甚至許多電子設計工程師也同樣對此感到困惑. 該資訊將簡單直觀地介紹特性阻抗, 希望能幫助您瞭解輸電線路最基本的質量.

什麼是輸電線路?

什麼是輸電線路？ 兩個具有一定長度的導體構成一條傳輸線。 其中一個導體成為訊號傳播通道，另一個導體構成訊號返回路徑（這裡我們提到訊號返回路徑，它實際上是每個人通常理解的地面，但為了便於描述，暫時忘記地面這個概念。）。 在多層電路板設計中，每個PCB互連線構成傳輸線中的導體，傳輸線使用相鄰基準面作為傳輸線的第二導體或訊號的返回路徑。 什麼樣的PCB互連線是一條好的傳輸線？ 通常，如果特性阻抗在同一PCB互連線上處處一致，則此類傳輸線成為高品質傳輸線。 什麼樣的電路板被稱為受控阻抗電路板？ 受控阻抗電路板意味著PCB上所有傳輸線的特性阻抗符合統一的目標規範。 這通常意味著所有傳輸線的特性阻抗在25Ω和70Ω之間。

從訊號的角度

考慮特性阻抗的最有效方法是檢查訊號本身在沿傳輸線傳播時看到的情况。 為了簡化對該問題的討論，假設傳輸線是微帶類型，並且當訊號沿傳輸線傳播時，傳輸線的橫截面是一致的。

向傳輸線添加振幅為1V的階躍訊號。 階躍訊號是一個1V電池，由前端連接，並連接在訊號線和回路之間。 當電池接通時，訊號電壓波形將以光速在電介質中傳播，通常速度約為6英寸/秒（為什麼訊號傳播如此之快，而不是接近約1cm/s的電子傳播速度，這是另一個主題，此處不再作進一步介紹）。 當然，這裡的訊號仍然有一個傳統的定義。 訊號被定義為訊號線和返回路徑之間的電壓差，通常通過量測傳輸線上任何點和相鄰訊號返回路徑之間的電壓差來獲得。

訊號沿傳輸線以6英寸/秒的速度向前傳輸。 訊號在傳輸過程中會遇到什麼情况？ 在前10ps的時間間隔內，訊號沿傳輸線移動了0.06英寸的距離。 假設鎖定時間在此時，考慮輸電線路上發生的情况。 在該行程距離上，訊號傳輸在該傳輸線段和相應的相鄰訊號返回通道之間建立了振幅為1V的穩定恒定訊號。 這意味著額外的正電荷和額外的負電荷已累積在輸電線路的該段和相應的回路上，以建立該穩定電壓。 正是這些電荷的差异在兩個導體之間建立並保持了穩定的1V電壓訊號，導體之間的穩定電壓訊號在兩個導體之間建立了電容。

此時，訊號波前後面傳輸線上的傳輸線段不知道將有訊號傳播，囙此訊號線和返回路徑之間的電壓仍保持為零。 在接下來的10ps時間間隔內，訊號將沿著傳輸線傳播一定距離。 由於訊號繼續傳播，將在另一個長度為0.06英寸的傳輸線段和相應的訊號返回路徑之間建立1V傳輸線。 訊號電壓。 為此，必須向訊號線注入一定量的正電荷，並向訊號返回路徑注入相同量的負電荷。 對於沿傳輸線傳播的每0.06英寸訊號，將向訊號線注入更多正電荷，並向訊號返回路徑注入更多負電荷。 每隔10ps的時間間隔，傳輸線的另一段將充電至1V，訊號將繼續沿著傳輸線的方向傳播。

這些費用從哪裡來？ 答案來自信號源，這是我們用來提供階躍訊號並連接到傳輸線前端的電池。 當訊號在傳輸線上傳播時，訊號會對其傳播的傳輸線段不斷充電，確保在訊號線和返回路徑之間建立並保持1 V的電壓，無論訊號在何處傳輸。 每10ps時間間隔，訊號將在傳輸線上移動一定距離，並從電力系統中選取一定量的電荷δQ。 電池在時間δt內向外部提供一定量的電荷δQ，以形成恒定的訊號電流。 正極電流從蓄電池流入訊號線，同時相同大小的負極電流流過訊號回路。

流過訊號回路的負電流與流入訊號線的正電流完全相同。 此外，在訊號波前位置，交流電流流過由訊號線和訊號返回路徑形成的電容器，完成訊號回路。

傳輸線特性阻抗

從電池的角度來看，一旦設計工程師將電池的引線連接到傳輸線的前端，從電池流出的電流總是恒定的，電壓訊號保持穩定。 有人可能會問，什麼樣的電子元件有這樣的行為？ 當添加恒定電壓訊號時，它將保持恒定電流值，這當然是一個電阻。

對於電池，當訊號沿著傳輸線向前傳播時，每隔10ps的時間間隔，將添加一個0.06英寸的新傳輸線段，以充電至1V。 從蓄電池獲得的新新增的電量確保保持蓄電池的穩定。 電流從電池中吸取恒定電流，傳輸線相當於電阻器，電阻恒定。 我們稱之為傳輸線的浪湧阻抗。

類似地，當訊號沿著傳輸線向前傳播時，每次它傳播一定距離時，訊號將不斷探測訊號線的電力環境，並嘗試確定訊號進一步向前傳播時的阻抗。 一旦訊號被添加到傳輸線並沿傳輸線傳播，訊號本身就會檢查需要多少電流來對在10ps時間間隔內傳播的傳輸線長度充電，並將傳輸線段的這部分充電至1V。 這是我們要分析的暫態阻抗值。

從電池本身的角度來看，如果訊號以恒定速度沿傳輸線方向傳播，並且假設傳輸線具有均勻的橫截面，則訊號傳播固定長度（例如訊號在10ps時間間隔內傳播的距離）， 然後，您需要從電池獲得相同的電量，以確保傳輸線的這一部分充電到相同的訊號電壓。 每次訊號傳播固定距離時，將從蓄電池獲得相同的電流，並且訊號電壓將保持一致。 在訊號傳播過程中，傳輸線上任何地方的暫態阻抗都是相同的。

在訊號沿傳輸線傳播的過程中，如果傳輸線上到處都有一致的訊號傳播速度，並且組織長度的電容也相同，那麼訊號在傳播過程中始終會看到完全一致的暫態阻抗。 由於阻抗在整個傳輸線上保持不變，我們給出了一個特定的名稱來表示該特性或特定傳輸線的特性，稱為傳輸線的特性阻抗。 特性阻抗是指當訊號沿傳輸線傳播時，訊號看到的暫態阻抗值。 如果當訊號沿著傳輸線傳播時，訊號看到的特性阻抗始終保持不變，則此類傳輸線稱為受控阻抗傳輸線。

傳輸線的特性阻抗是設計中最重要的因素

傳輸線的暫態阻抗或特性阻抗是影響訊號質量的最重要因素。 如果相鄰訊號傳播間隔之間的阻抗在訊號傳播期間保持不變，則訊號可以非常平滑地向前傳播，情况變得非常簡單。 如果相鄰訊號傳播間隔之間存在差异，或阻抗發生變化，則訊號中的部分能量將被反射回來，訊號傳輸的連續性也將被破壞。

為了確保最佳訊號質量，訊號互連設計的目標是確保訊號在傳輸過程中看到的阻抗盡可能保持恒定。 這主要是指保持傳輸線的特性阻抗恒定。 囙此，具有受控阻抗的PCB板的設計和製造變得越來越重要。 至於任何其他設計技巧，如最小化手指長度、終端匹配、菊花鏈連接或分支連接等，都是為了確保訊號可以看到一致的暫態阻抗。

特性阻抗的計算

從上述簡單模型中，我們可以推導出特徵阻抗的值，即在訊號傳輸過程中看到的暫態阻抗值。 訊號在每個傳播間隔中看到的阻抗Z與阻抗的基本定義一致

Z=V/I

這裡的電壓V是指添加到傳輸線的訊號電壓，電流I是指在每個時間間隔δt內從電池獲得的總電荷δQ，囙此

I=Q/t

流入傳輸線的電荷（電荷最終來自信號源）用於將新添加的訊號線和訊號傳播過程中的返回路徑之間形成的電容δC充電到電壓V，囙此

Q=VδC

我們可以將傳播過程中訊號的一定距離引起的電容與傳輸線每組織長度的電容值CL和訊號在傳輸線上傳播的速度U聯系起來。 同時，訊號移動的距離是速度U乘以時間間隔δt。so

ÎC=（CL U）δt

結合上述所有方程，我們可以推導出暫態阻抗為：

Z=V/I=V/（Q/t）=V/（VδC/t）=V/（V CL Uδt/t）=1/（CL U）

可以看出，暫態阻抗與組織傳輸線長度的電容值和訊號傳送速率有關。 這也可以人為地定義為傳輸線的特性阻抗。 為了區分特性阻抗與實際阻抗Z，在特性阻抗中專業添加了一個下標0。 訊號傳輸線的特性阻抗已從上述推導中獲得：

º01/（CL U）

如果傳輸線每組織長度的電容值和傳輸線上的訊號傳播速度保持恒定，則傳輸線在其長度內具有恒定的特性阻抗。 這種傳輸線稱為受控阻抗傳輸線。

從上面的簡要描述可以看出，一些關於電容的直觀知識可以與新發現的特性阻抗直觀知識聯系起來。 換句話說，如果PCB中的訊號佈線加寬，則傳輸線每組織長度的電容值將新增，並且傳輸線的特性阻抗可以降低。

有趣的話題

關於傳輸線的特性阻抗，經常會聽到一些令人困惑的說法。 根據上述分析，將信號源連接到傳輸線後，您應該能够看到傳輸線的特性阻抗的某個值，例如50Î）。 然而，如果將歐姆錶連接到同一根3英尺長的RG58電纜上，則測得的阻抗是無限的。

這個問題的答案是，從任何傳輸線前端看到的阻抗值隨時間變化。 如果量測電纜阻抗的時間足够短，足以與訊號在電纜中來回移動的時間相當，則可以量測電纜的浪湧阻抗或電纜的特性阻抗。 然而，如果等待足够的時間，一部分能量將反射回來，並被測量儀器檢測到。 此時，可以檢測到阻抗變化。 通常，在這個過程中，阻抗會來回變化，直到阻抗值。 達到穩定狀態：如果電纜末端開路，則最終阻抗值為無窮大，如果電纜末端短路，則最終阻抗值為零。

對於3英尺長的RG58電纜，阻抗量測過程必須在小於3ns的時間間隔內完成。 這就是時域反射計（TDR）將要做的。 TDR可以量測傳輸線的動態阻抗。 如果量測一根3英尺長的RG58電纜的阻抗需要1s，那麼訊號在這個時間間隔內來回反射了數百萬次，那麼你可能會得到與阻抗的巨大變化完全不同的阻抗值，最終結果是無窮大，因為電纜的端子是開放的。

以上是特性阻抗的介紹. Ipcb也提供給 PCB製造商 和 PCB製造 科技.