1、高速PCB設(shè)計(jì)的傳輸線及其特性阻抗一. 什么是傳輸線 我們經(jīng)常會用到傳輸線這一術(shù)語，可是講到其具體定義時(shí)，很多工程師都是欲言又止，似懂非懂我們知道，傳輸線用于將信號從一端傳輸?shù)搅硪欢耍聢D說明了所有傳輸線的一般特征所以，可以這樣理解：傳輸線由兩條一定長度導(dǎo)線組成，一條是信號傳播路徑，另一條是信號返回路徑。 1. 分析傳輸線，一定要聯(lián)系返回路徑，單根的導(dǎo)體并不能成為傳輸線2.和電阻，電容，電感一樣，傳輸線也是一種理想的電路元件，但是其特性卻大不相同，用于仿真效果較好，但電路概念卻比較復(fù)雜3.傳輸線有兩個(gè)非常重要的特征：特性阻抗和時(shí)延 二. 傳輸線分類 經(jīng)常

2、用到的雙絞線，同軸電纜都是傳輸線  對于PCB來說，常有微帶線和帶狀線兩種微帶線通常指PCB外層的走線，并且只有一個(gè)參考平面帶狀線是指介于兩個(gè)參考平面之間的內(nèi)層走線下圖為微帶線和帶狀線示意圖及其阻抗計(jì)算公式，可以從這個(gè)公式中看出，阻抗和那些因素有關(guān)，但是實(shí)際工程應(yīng)用中，都是用一些專業(yè)軟件進(jìn)行阻抗計(jì)算，比如Polar 三. 傳輸線阻抗 先來澄清幾個(gè)概念，經(jīng)常會看到阻抗，特性阻抗，瞬時(shí)阻抗，嚴(yán)格來講，他們是有區(qū)別的，但是萬變不離其宗，它們?nèi)匀皇亲杩沟幕径x.將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗將信號隨時(shí)遇到的及時(shí)阻抗稱為瞬時(shí)阻抗如果傳輸線具有恒定不變的瞬時(shí)阻抗

3、，就稱之為傳輸線的特性阻抗 特性阻抗描述了信號沿傳輸線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗，這是影響傳輸線電路中信號完整性的一個(gè)主要因素 如果沒有特殊說明，一般用特性阻抗來統(tǒng)稱傳輸線阻抗簡單的來說，傳輸線阻抗可以用上面的公式來說明，但如果往深里說，我們就要分析信號在傳輸線中的行為，Eric Bogatin 博士在他的著作Signal Integrity :Simplified里面有很詳細(xì)的說明，讀者可以找原著來進(jìn)行細(xì)究，這里只做一個(gè)簡述： *以下分析收自與網(wǎng)絡(luò)資料 網(wǎng)際星空網(wǎng)站 oldfriend 老師的作品* 當(dāng)訊號沿著一條具有同樣橫截面的傳輸線移動時(shí)，假定把1V的階梯波(s

4、tep function)加到這條傳輸線中(如把1V的電池連接到傳輸線的發(fā)送端，電壓跨在發(fā)送線和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓階梯波沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/ns。這個(gè)信號是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來衡量。 訊號能量在第一個(gè)0.01ns前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷(由電池提供)，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1V電壓差，且這兩個(gè)導(dǎo)體間也形成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)0.01ns中，又要將下一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1V，這必須再加一些正電荷到發(fā)送線路，與加一些負(fù)電荷到接收線路。

5、每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01ns，必須對傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當(dāng)訊號沿著這條線移動時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部份充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1V的電壓差。每前進(jìn)0.01ns,就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時(shí)間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流藉由上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過程。 訊號傳遞時(shí)，會在傳輸線內(nèi)建立一個(gè)電場，

6、而這訊號傳遞的速度取決于在訊號與回路周圍金屬材質(zhì)的電荷充放電與磁場生成速度。  對電池來說，當(dāng)信號沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01ns對連續(xù)0.06英寸傳輸線段進(jìn)行充電。從電源獲得恒定的電流時(shí)，傳輸線看起來像一個(gè)阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱為傳輸線路的浪涌阻抗(surge impedance)。同樣地，當(dāng)信號沿著線路傳播時(shí)，在下一步之前(0.01ns之內(nèi))，把這一步的電壓提高到1V所需供應(yīng)的能量(電流)，這就涉及到瞬時(shí)阻抗的概念。 如果信號以穩(wěn)定的速度沿著傳輸線傳播，并且傳輸線具有相同的橫截面，那么在0.01ns中每前進(jìn)一步需要相同的電荷量，以產(chǎn)生相同的信號電壓。此時(shí)，信號著這

7、條線前進(jìn)時(shí)，會遭遇同樣的瞬時(shí)阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱為特性阻抗。如果信號在傳遞過程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認(rèn)為是可控阻抗(controlled impedance)傳輸線。 瞬時(shí)阻抗或特性阻抗，對信號傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可順利進(jìn)行，但若阻抗發(fā)生變化(阻抗不匹配)，那會出現(xiàn)一些問題。為了達(dá)到最佳信號質(zhì)量，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號傳遞過程中盡量保持阻抗穩(wěn)定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩(wěn)定，因此，可控阻抗板的生產(chǎn)變得越來越重要。另外，其它的方法，如余線(stub)長度最短化、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時(shí)阻抗的穩(wěn)定。  四. 傳輸線阻抗的計(jì)算 設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)定的特性阻抗，需要不斷調(diào)整線寬、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)。如果知道傳輸線長度和材料的介電常數(shù)，就可以計(jì)算出特性阻抗以及其它參數(shù) 求解特性阻抗的途徑有三種：1. 經(jīng)驗(yàn)法則；2. 解析近似；3. 采用數(shù)值仿真的場求解器。 這里只看看經(jīng)驗(yàn)法則，其中兩種還是