[经验] PCB技术在高速设计中的特性阻抗问题

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发表于 2017-10-12 13:19:56   330 查看 1 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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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。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。
  
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。
  
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。

标签:PCB

总工程师

发表于 2017-10-12 19:53:39  
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