PCB新聞 - 高速設計中的特性阻抗問題

在高速設計中，可控阻抗板和電路的特性阻抗困擾著許多中國工程師。 本文通過一種簡單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常見的問題之一。 首先理解傳輸線的定義：傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成，一個導體用於發送訊號，另一個用於接收訊號（記住“回路”而不是“接地”的概念）。 在多層板中，每條線都是傳輸線的一個組成部分，相鄰的基準面可以用作第二條線或回路。 線路成為“高性能”輸電線路的關鍵是在整個線路中保持其特性阻抗恒定。

電路板成為“可控阻抗板”的關鍵是使所有電路的特性阻抗滿足規定值, 通常在25歐姆到70歐姆之間. 在一個 多層PCB電路板, 良好傳輸線效能的關鍵是在整個線路中保持其特性阻抗恒定.

但是特性阻抗是什麼? 瞭解特性阻抗的最簡單方法是查看訊號在傳輸過程中遇到的情况. 當沿著具有相同橫截面的輸電線路移動時, 這類似於圖1所示的微波傳輸. 假設向該輸電線路添加1伏的電壓階躍波. 例如, a 1 volt battery is connected to the front end of the transmission line (it is located between the transmission line 和 the loop). 一旦連接, 電壓波訊號以光速沿線路傳播. 傳播, 它的速度通常在6英寸左右/納秒. 當然, 該訊號實際上是傳輸線和環路之間的電壓差, 它可以從傳輸線的任何點和環路的相鄰點進行量測. 無花果. 2是電壓訊號傳輸的示意圖.

禪的方法是首先“產生一個訊號”，然後以每納秒6英寸的速度沿著這條傳輸線傳播. 前0個.01納秒前進0.06英寸. 此時, 發送線路帶有過量正電荷, 回路中有過多的負電荷. 正是這兩種電荷之間的差异保持了兩個導體之間的1伏電壓差. 這兩個導體形成一個電容器.

在接下來的0中.01納秒, 調整0的電壓.0至1伏06英寸輸電線路, 有必要向傳輸線添加一些正電荷，向接收線添加一些負電荷. 對於每0.06英寸移動, 必須向輸電線路添加更多正電荷, 必須向回路中添加更多的負電荷. 每0.01納秒, 輸電線路的另一段必須充電, 然後訊號開始沿著這一部分傳播. 電荷來自輸電線路前端的電池. 沿著這條線移動時, 它對輸電線路的連續部分充電, 從而在輸電線路和回路之間形成1伏的電壓差. 每次0.提前01納秒, some charge (±Q) is obtained from the battery, and the constant power (±Q) flowing out of the battery in a constant time interval (±t) is a constant current. 流入回路的負電流實際上與流出的正電流相同, 它就在訊號波的前端. 交流電流通過上下線路形成的電容器，結束整個迴圈. 該過程如圖3所示.

Line impedance

For batteries, 當訊號沿傳輸線傳播時, 連續0.06英寸輸電線段每0秒充電一次.01納秒. 當從電源獲得恒定電流時, 傳輸線看起來像一個阻抗, 其阻抗值恒定, 這可以稱為輸電線路的“浪湧阻抗”.

類似地, 當訊號沿線路傳播時, 在下一步之前, 0以內.01納秒, 哪種電流可以將該步驟的電壓新增到1伏? 這涉及暫態阻抗的概念.

從電池的角度來看, 如果訊號以穩定速度沿傳輸線傳播, 輸電線路具有相同的橫截面, 0中的每個步驟都需要相同的費用.01納秒以產生相同的訊號電壓. 沿著這條線走的時候, 它將產生相同的暫態阻抗, 這被視為傳輸線的特性，稱為特性阻抗. 如果傳輸過程中每個步驟的訊號特性阻抗相同, 然後，可以將傳輸線視為可控阻抗傳輸線.

暫態阻抗或特性阻抗對訊號傳輸的質量非常重要. 在轉移過程中, 如果下一步的阻抗等於上一步的阻抗, 工作可以順利進行, 但是如果阻抗變化, 會出現一些問題.

為了達到最佳訊號質量, 內部連接的設計目標是在訊號傳輸過程中盡可能保持阻抗穩定. 第一, 傳輸線的特性阻抗必須保持穩定. 因此, 可控阻抗板的生產變得越來越重要. 此外, 其他方法，如剩餘最短導線長度, 端部移除和整根導線的使用也用於保持訊號傳輸中暫態阻抗的穩定性.

Calculation of characteristic impedance

Simple characteristic impedance model: Z=V/我, Z表示訊號傳輸過程中每個步驟的阻抗, V表示訊號進入傳輸線時的電壓, 我代表電流. I=Q/±t, Q表示電量, t表示每一步的時間.

Electricity (from battery): ±Q=±C*V, C表示電容, V表示電壓. 電容可以由傳輸線每組織長度的容量CL和訊號傳送速率v推導得出. 組織銷的長度值被視為速度, 然後乘以每個步驟所需的時間t, then the formula is obtained: ±C=CL*v*(±)t.

結合上述項目, 我們可以得到特性阻抗：

Z=V/I=V/（Q/t）=V/（C*V/t）=V/（CL*V*（CL±）t*V/t=1/（CL*V）

可以看出，特性阻抗與傳輸線的組織長度容量和訊號傳送速率有關. 為了區分特性阻抗和實際阻抗Z, 我們在Z之後加0. 傳輸線的特性阻抗為：Z0=1/(CL*v)

If the capacity per unit length of the transmission line and the signal transmission speed remain unchanged, 傳輸線的特性阻抗也保持不變. 這個簡單的解釋可以將電容的常識與新發現的特性阻抗理論聯系起來. 如果輸電線路組織長度的容量新增, 比如加厚輸電線路, 傳輸線的特性阻抗可以降低.

Characteristic impedance measurement

When the battery is connected to the transmission line (assuming the impedance is 50 ohms at the time), 將歐姆錶連接到3英尺長的RG58光纜. 此時如何量測無限阻抗? 任何傳輸線的阻抗都與時間有關. 如果在短於光纜反射的時間內量測光纜的阻抗, 您正在量測“浪湧”阻抗, 或特性阻抗. 但是如果你等待足够長的時間，直到能量被反射回來並被接收, 量測後可以發現阻抗發生變化. 一般來說, 上下反彈後，阻抗值將達到穩定的極限值.

對於3英尺長的光纜, 阻抗量測必須在3納秒內完成. TDR (Time Domain Reflectometer) can do this, 它可以量測傳輸線的動態阻抗. 如果在1秒內量測3英尺光纖電纜的阻抗, 訊號將來回反射數百萬次, 導致不同的“浪湧”阻抗.

以上介紹了高速設計中的特性阻抗問題. Ipcb也提供給 PCB製造商 and PCB製造 科技.