PCB技术高速设计中的特性阻抗问题

　　在高速设计中，可控阻抗板和线路的特性阻抗问题困扰着许多中国工程师。本文通过简单而且直观的方法介绍了特性阻抗的基本性质、计算和测量方法。

Eric Bogatin

独立顾问

Bogatin公司

　　在高速设计中，可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解一下传输线的定义：传输线由两个具有一定长度的导体组成，一个导体用来发送信号，另一个用来接收信号（切记“回路”取代“地”的概念）。在一个多层板中，每一条线路都是传输线的组成部分，邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“性能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。
　
　　线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值，通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中，传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。
　
　　但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时，这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中，如把1伏特的电池连接到传输线的前端（它位于发送线路和回路之间），一旦连接，这个电压波信号沿着该线以光速传播，它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然，这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差，它可以从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。
　
　　Zen的方法是先“产生信号”，然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0.01纳秒前进了0.06英寸，这时发送线路有多余的正电荷，而回路有多余的负电荷，正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差，而这两个导体又组成了一个电容器。
　
　　在下一个0.01纳秒中，又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特，这必须加一些正电荷到发送线路，而加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸，必须把更多的正电荷加到发送线路，而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒，必须对传输线路的另外一段进行充电，然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池，当沿着这条线移动时，就给传输线的连续部分充电，因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每前进0.01纳秒，就从电池中获得一些电荷（±Q），恒定的时间间隔（±t）内从电池中流出的恒定电量（±Q）就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等，而且正好在信号波的前端，交流电流通过上、下线路组成的电容，结束整个循环过程。过程如图3所示。

线路的阻抗

　　对电池来说，当信号沿着传输线传播，并且每隔0.01纳秒对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源获得恒定的电流时，传输线看起来像一个阻抗器，并且它的阻抗值恒定，这可称为传输线路的“浪涌”阻抗（surge impedance）。
　

　　同样地，当信号沿着线路传播时，在下一步之前，0.01纳秒之内，哪一种电流能把这一步的电压提高到1伏特？这就涉及到瞬时阻抗的概念。
　
　　从电池的角度看时，如果信号以一种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纳秒中每前进一步需要相同的电荷量，以产生相同的信号电压。当沿着这条线前进时，会产生同样的瞬时阻抗，这被视为传输线的一种特性，被称为特性阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同，那么该传输线可认为是可控阻抗传输线。
　
　　瞬时阻抗或特性阻抗，对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可顺利进行，但若阻抗发生变化，那会出现一些问题。
　
　　为了达到最佳信号质量，内部连接的设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定，首先必须保持传输线特性阻抗的稳定，因此，可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外，其它的方法如余线长度最短化、末端去除和整线使用，也用来保持信号传递中瞬时阻抗的稳定。
　
特性阻抗的计算

　　简单的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信号传递过程中每一步的阻抗，V代表信号进入传输线时的电压，I代表电流。I=±Q/±t，Q代表电量，t代表每一步的时间。
　
　　电量（来源于电池）：±Q=±C×V，C代表电容，V代表电压。电容可以用传输线单位长度容量CL和信号传递速度v来推导。单位引脚的长度值当作速度，再乘以每步所需时间t， 则得到公式： ±C=CL×v×（±）t.综合以上各项，我们可以得出特性阻抗：Z=V/I=V/（±Q/±t）=V/（±C×V/±t）=V/（CL×v×（±）t×V/±t）=1/（CL×v）
　
　　可以看出，特性阻抗跟传输线单位长度容量和信号传递速度有关。为了区别特性阻抗和实际阻抗Z，我们在Z后面加上0.传输线特性阻抗为：Z0=1/（CL×v）
　
　　如果传输线单位长度容量和信号传递速度保持不变，那么传输线特性阻抗也保持不变。这个简单的说明能将电容常识和新发现的特性阻抗理论联系在一起。如果增加传输线单位长度容量，例如加粗传输线，可降低传输线特性阻抗。
　

特性阻抗的测量

　　当电池和传输线连接时（假如当时阻抗为50欧姆），将欧姆表连接在3英尺长的RG58光缆上，这时如何测无穷阻抗呢？任何传输线的阻抗都和时间有关。如果你在比光缆反射更短的时间里测量光缆的阻抗，你测量到的是“浪涌”阻抗，或特性阻抗。但是如果等待足够长的时间直到能量反射回来并接收后，经测量可发现阻抗有变化。一般来说，阻抗值上下反弹后会达到一个稳定的极限值。
　
　　对于3英尺长的光缆，必须在3纳秒内完成阻抗的测量。TDR（时间域反射仪）能做到这一点，它可以测量传输线的动态阻抗。如果在1秒钟内测量3英尺光缆的阻抗，信号会来回反射数百万次，因此会得到不同的“浪涌”阻抗。
　
　　本文作者Eric Bogatin在麻省理工学院获得物理学学士学位，在亚利桑那州立大学获得物理学硕士和博士学位。他曾在AT&T公司、贝尔实验室和太阳微系统等著名公司工作过。现任Bogatin公司独立顾问，专门从事信号完整性及互连设计的培训工作。