PCB技術(shù)在高速設(shè)計(jì)中的特性阻抗問(wèn)題

在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問(wèn)題困擾著許多中國(guó)工程師。本文通過(guò)簡(jiǎn)單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測(cè)量方法。

在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問(wèn)題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。

線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。

但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)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(lái)衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。

Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，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1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。

在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)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0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開(kāi)始沿著這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，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(hào)波的前端，交流電流通過(guò)上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。過(guò)程如圖3所示。

線路的阻抗

對(duì)電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01納秒對(duì)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(lái)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(hào)沿著線路傳播時(shí)，在下一步之前，0.01納秒之內(nèi)，哪一種電流能把這一步的電壓提高到1伏特?這就涉及到瞬時(shí)阻抗的概念。

從電池的角度看時(shí)，如果信號(hào)以一種穩(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0.01納秒中每前進(jìn)一步需要相同的電荷量，以產(chǎn)生相同的信號(hào)電壓。當(dāng)沿著這條線前進(jìn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同樣的瞬時(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(hào)在傳遞過(guò)程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認(rèn)為是可控阻抗傳輸線。

瞬時(shí)阻抗或特性阻抗，對(duì)信號(hào)傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過(guò)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，那會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。

為了達(dá)到最佳信號(hào)質(zhì)量，內(nèi)部連接的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號(hào)傳遞過(guò)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(lái)越重要。另外，其它的方法如余線長(zhǎng)度最短化、末端去除和整線使用，也用來(lái)保持信號(hào)傳遞中瞬時(shí)阻抗的穩(wěn)定。

特性阻抗的計(jì)算

簡(jiǎn)單的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信號(hào)傳遞過(guò)程中每一步的阻抗，V代表信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)的電壓，I代表電流。I=±Q/±t，Q代表電量，t代表每一步的時(shí)間。

電量(來(lái)源于電池)：±Q=±C×V，C代表電容，V代表電壓。電容可以用傳輸線單位長(zhǎng)度容量CL和信號(hào)傳遞速度v來(lái)推導(dǎo)。單位引腳的長(zhǎng)度值當(dāng)作速度，再乘以每步所需時(shí)間t，則得到公式：±C=CL×v×(±)t.綜合以上各項(xiàng)，我們可以得出特性阻抗：Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v)

可以看出，特性阻抗跟傳輸線單位長(zhǎng)度容量和信號(hào)傳遞速度有關(guān)。為了區(qū)別特性阻抗和實(shí)際阻抗Z，我們?cè)赯后面加上0.傳輸線特性阻抗為：Z0=1/(CL×v)

如果傳輸線單位長(zhǎng)度容量和信號(hào)傳遞速度保持不變，那么傳輸線特性阻抗也保持不變。這個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明能將電容常識(shí)和新發(fā)現(xiàn)的特性阻抗理論聯(lián)系在一起。如果增加傳輸線單位長(zhǎng)度容量，例如加粗傳輸線，可降低傳輸線特性阻抗。

特性阻抗的測(cè)量

當(dāng)電池和傳輸線連接時(shí)(假如當(dāng)時(shí)阻抗為50歐姆)，將歐姆表連接在3英尺長(zhǎng)的RG58光纜上，這時(shí)如何測(cè)無(wú)窮阻抗呢?任何傳輸線的阻抗都和時(shí)間有關(guān)。如果你在比光纜反射更短的時(shí)間里測(cè)量光纜的阻抗，你測(cè)量到的是“浪涌”阻抗，或特性阻抗。但是如果等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間直到能量反射回來(lái)并接收后，經(jīng)測(cè)量可發(fā)現(xiàn)阻抗有變化。一般來(lái)說(shuō)，阻抗值上下反彈后會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的極限值。

對(duì)于3英尺長(zhǎng)的光纜，必須在3納秒內(nèi)完成阻抗的測(cè)量。TDR(時(shí)間域反射儀)能做到這一點(diǎn)，它可以測(cè)量傳輸線的動(dòng)態(tài)阻抗。如果在1秒鐘內(nèi)測(cè)量3英尺光纜的阻抗，信號(hào)會(huì)來(lái)回反射數(shù)百萬(wàn)次，因此會(huì)得到不同的“浪涌”阻抗。