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    PCB技術在高速設計中的特性阻抗問題

    發布時間:2014-09-17 02:41:04 分類:資料中心

        在高速設計中,可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國工程師。本文通過簡單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質、計算和測量方法。


      在高速設計中,可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。首先了解一下傳輸線的定義:傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成,一個導體用來發送信號,另一個用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個多層板中,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”傳輸線的關鍵是使它的特性阻抗在整個線路中保持恒定。

     

      線路板成為“可控阻抗板”的關鍵是使所有線路的特性阻抗滿足一個規定值,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?理解特性阻抗最簡單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當沿著一條具有同樣橫截面傳輸線移動時,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(它位于發送線路和回路之間),一旦連接,這個電壓波信號沿著該線以光速傳播,它的速度通常約為6英寸/納秒。當然,這個信號確實是發送線路和回路之間的電壓差,它可以從發送線路的任何一點和回路的相臨點來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。

     

      Zen的方法是先“產生信號”,然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個0.01納秒前進了0.06英寸,這時發送線路有多余的正電荷,而回路有多余的負電荷,正是這兩種電荷差維持著這兩個導體之間的1伏電壓差,而這兩個導體又組成了一個電容器。

     

      在下一個0.01納秒中,又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調整到1伏特,這必須加一些正電荷到發送線路,而加一些負電荷到接收線路。每移動0.06英寸,必須把更多的正電荷加到發送線路,而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納秒,必須對傳輸線路的另外一段進行充電,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,當沿著這條線移動時,就給傳輸線的連續部分充電,因而在發送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進0.01納秒,就從電池中獲得一些電荷(±Q),恒定的時間間隔(±t)內從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負電流實際上與流出的正電流相等,而且正好在信號波的前端,交流電流通過上、下線路組成的電容,結束整個循環過程。過程如圖3所示。

     

      線路的阻抗

     

      對電池來說,當信號沿著傳輸線傳播,并且每隔0.01納秒對連續0.06英寸傳輸線段進行充電。從電源獲得恒定的電流時,傳輸線看起來像一個阻抗器,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,當信號沿著線路傳播時,在下一步之前,0.01納秒之內,哪一種電流能把這一步的電壓提高到1伏特?這就涉及到瞬時阻抗的概念。

     

      從電池的角度看時,如果信號以一種穩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納秒中每前進一步需要相同的電荷量,以產生相同的信號電壓。當沿著這條線前進時,會產生同樣的瞬時阻抗,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,那么該傳輸線可認為是可控阻抗傳輸線。

     

      瞬時阻抗或特性阻抗,對信號傳遞質量而言非常重要。在傳遞過程中,如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等,工作可順利進行,但若阻抗發生變化,那會出現一些問題。

     

      為了達到最佳信號質量,內部連接的設計目標是在信號傳遞過程中盡量保持阻抗穩定,首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩定,因此,可控阻抗板的生產變得越來越重要。另外,其它的方法如余線長度最短化、末端去除和整線使用,也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩定。

     

    特性阻抗的計算


      簡單的特性阻抗模型:Z=V/I,Z代表信號傳遞過程中每一步的阻抗,V代表信號進入傳輸線時的電壓,I代表電流。I=±Q/±t,Q代表電量,t代表每一步的時間。

     

      電量(來源于電池):±Q=±C×V,C代表電容,V代表電壓。電容可以用傳輸線單位長度容量CL和信號傳遞速度v來推導。單位引腳的長度值當作速度,再乘以每步所需時間t, 則得到公式: ±C=CL×v×(±)t.綜合以上各項,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度容量和信號傳遞速度有關。為了區別特性阻抗和實際阻抗Z,我們在Z后面加上0.傳輸線特性阻抗為:Z0=1/(CL×v)

     

      如果傳輸線單位長度容量和信號傳遞速度保持不變,那么傳輸線特性阻抗也保持不變。這個簡單的說明能將電容常識和新發現的特性阻抗理論聯系在一起。如果增加傳輸線單位長度容量,例如加粗傳輸線,可降低傳輸線特性阻抗。

     

      特性阻抗的測量

     

      當電池和傳輸線連接時(假如當時阻抗為50歐姆),將歐姆表連接在3英尺長的RG58光纜上,這時如何測無窮阻抗呢?任何傳輸線的阻抗都和時間有關。如果你在比光纜反射更短的時間里測量光纜的阻抗,你測量到的是“浪涌”阻抗,或特性阻抗。但是如果等待足夠長的時間直到能量反射回來并接收后,經測量可發現阻抗有變化。一般來說,阻抗值上下反彈后會達到一個穩定的極限值。

     

      對于3英尺長的光纜,必須在3納秒內完成阻抗的測量。TDR(時間域反射儀)能做到這一點,它可以測量傳輸線的動態阻抗。如果在1秒鐘內測量3英尺光纜的阻抗,信號會來回反射數百萬次,因此會得到不同的“浪涌”阻抗。

     

     

    來源:PCB技術在高速設計中的特性阻抗問題

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