PCB科技 - 可控阻抗電路板的設計及互連線的特性阻抗

近年來, 高速設計領域中一個日益重要的問題是 電路板 具有受控阻抗和互連線的特性阻抗 電路板. 然而, 非電子設計工程師, 這也是一個相當令人困惑和不直觀的問題. 甚至許多電子設計工程師也同樣對此感到困惑.

傳輸線的特性阻抗

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，每傳播一定距離，訊號就會不斷探測訊號線的電力環境，並在進一步傳播時嘗試確定訊號的阻抗。 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著傳輸線的方向傳播，並且假設傳輸線具有均勻的橫截面，則每次訊號傳播固定長度（例如訊號在10ps時間間隔內傳播的距離）， 然後，它需要從電池中獲得相同的電量，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一個非常重要的因素

傳輸線的暫態阻抗或特性阻抗是影響訊號質量的一個非常重要的因素。 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。

為了確保更好的訊號質量, 訊號互連設計的目標是確保在訊號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. 因此, 設計和 印刷電路板板製造 控制阻抗變得越來越重要. 至於其他設計技巧, 例如最小化手指長度, 終端匹配, 菊花鏈連接或分支連接, 等., 所有這些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量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

δQ=VδC

我們可以將訊號在傳播過程中傳播一定距離產生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

δC=（CLU）δt

結合上述所有方程，我們可以得出暫態阻抗為：

Z=V/I=V/（VδQ/t）=V/（VδC/t）=V/（VCLUδt/t）=1/（CLU）

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：

Z0=1/（CLU）

如果傳輸線每組織長度的電容值和訊號在傳輸線上傳播的速度保持恒定，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，如果印刷電路板中的訊號佈線加寬，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3英尺長RG58電纜的阻抗需要1s的時間間隔，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。

以上是對受控阻抗的描述 印刷電路板 互連線的設計和特性阻抗