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传输线及特性阻抗在设计高速PCB介绍

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发表于 2016-7-20 08:52:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、什么是传输线

我们经常会用到传输线这一术语,可是讲到其具体定义时,很多工程师都是欲言又止,似懂非懂……

我们知道,传输线用于将信号从一端传输到另一端,下图说明了所有传输线的一般特征
75111873_1.png
所以,可以这样理解:传输线由两条一定长度导线组成,一条是信号传播路径,另一条是信号返回路径。

1. 分析传输线,一定要联系返回路径,单根的导体并不能成为传输线

2.和电阻,电容,电感一样,传输线也是一种理想的电路元件,但是其特性却大不相同,用于仿真效果较好,但电路概念却比较复杂

3.传输线有两个非常重要的特征:特性阻抗和时延

二、传输线分类

经常用到的双绞线,同轴电缆都是传输线
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对于PCB来说,常有微带线和带状线两种

微带线通常指PCB外层的走线,并且只有一个参考平面

带状线是指介于两个参考平面之间的内层走线

下图为微带线和带状线示意图及其阻抗计算公式,可以从这个公式中看出,阻抗和那些因素有关,但是实际工程应用中,都是用一些专业软件进行阻抗计算,比如Polar
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三、传输线阻抗

先来澄清几个概念,经常会看到阻抗,特性阻抗,瞬时阻抗,严格来讲,他们是有区别的,但是万变不离其宗,它们仍然是阻抗的基本定义.

将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗

将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗

如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阻抗

特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗,这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素

如果没有特殊说明,一般用特性阻抗来统称传输线阻抗

简单的来说,传输线阻抗可以用上面的公式来说明,但如果往深里说,我们就要分析信号在传输线中的行为,Eric Bogatin 博士在他的著作《Signal Integrity :Simplified》里面有很详细的说明,读者可以找原著来进行细究,这里只做一个简述:

当讯号沿着一条具有同样横截面的传输线移动时,假定把1V的阶梯波(step function)加到这条传输线中(如把1V的电池连接到传输线的发送端,电压跨在发送线和回路之间),一旦连接,这个电压阶梯波沿着该线以光速传播,它的速度通常约为6英寸/ns。这个信号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。
75111873_5.jpg
讯号能量在第一个0.01ns前进了0.06英寸,这时发送线路有多余的正电荷(由电池提供),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1V电压差,且这两个导体间也形成了一个电容器。在下一个0.01ns中,又要将下一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1V,这必须再加一些正电荷到发送线路,与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0.01ns,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,当讯号沿着这条线移动时,就给传输线的连续部份充电,因而在发送线路和回路之间形成了1V的电压差。每前进0.01ns,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,交流电流藉由上、下线路组成的电容,结束整个循环过程。
75111873_6.jpg
讯号传递时,会在传输线内建立一个电场,而这讯号传递的速度取决于在讯号与回路周围金属材质的电荷充放电与磁场生成速度。

对电池来说,当信号沿着传输线传播,并且每隔0.01ns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(0.01ns之内),把这一步的电压提高到1V所需供应的能量(电流),这就涉及到瞬时阻抗的概念。

如果信号以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0.01ns中每前进一步需要相同的电荷量,以产生相同的信号电压。此时,信号着这条线前进时,会遭遇同样的瞬时阻抗,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(controlled impedance)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(阻抗不匹配),那会出现一些问题。为了达到最佳信号质量,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(stub)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。
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四、传输线阻抗的计算

设计一个预定的特性阻抗,需要不断调整线宽、介质厚度和介电常数。如果知道传输线长度和材料的介电常数,就可以计算出特性阻抗以及其它参数

求解特性阻抗的途径有三种:

1. 经验法则;

2. 解析近似;

3. 采用数值仿真的场求解器。

这里只看看经验法则,其中两种还是交给专业的软件或者PCB人员吧 :)
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对于50ohm 微带线:w=2h, 对于50Ohm 带状线: b=2w

经验法则:FR4上50Ω微带线的线宽w等于介质厚度h的两倍。50Ω带状线,两平面间总介质厚度b等于线宽w的两倍。


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发表于 2016-7-20 20:09:49 | 显示全部楼层
不错,看完必定
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