高速设计中的特性阻抗问题

ironstone

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。
Eric Bogatin
独立顾问
Bogatin公司
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，这类似图1所示的微波传输。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。图2是该电压信号的传输示意图。
Zen的方法是先“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。过程如图3所示。
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。

ironstone

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。
Eric Bogatin
独立顾问
Bogatin公司
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，这类似图1所示的微波传输。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。图2是该电压信号的传输示意图。
Zen的方法是先“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。过程如图3所示。
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。

kakaci

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