什么是特征阻抗 已读解析.doc

在高速设计所带来的电气问题中，最重要也是最常见的就是阻抗受控电路板和传输线的特征阻抗。而且，对非电子类工程师来讲，这也是最抽象最容易混淆的问题之一。一条传输线最基本的特性就是特征阻抗，在这篇简短的说明中，将对此作一个简单而直观的解释。什么是传输线让我们从什么是传输线开始说起，传输线就是由两个有一定长度的导体构成。一条是信号的传播路径，另外一条是返回路径（忘掉“地”这个词而代之“返回路径”）。在多层板设计中，每条走线都是传输线的一部分，而相邻的参考平面则作为返回路径。构成一条良好的传输线的条件是，在沿着其长度分布的任何地方其特征阻抗都是连续的。构成一块PCB是“阻抗受控”电路板的条件是，板上所有走线的特征阻抗都达到一个指定值，这个值通常在25Ω到70Ω之间。那么到底是什么决定了这些条件的呢？是特征阻抗吗？“假如我们自己就是信号”EDA365论坛网 `, m# i% s9 q1 n. u思考特征阻抗的一个最简单的办法，就是看当信号沿着传输线传播时，信号感受到了什么。首先，让我们假设一条传输线恰好是一条微带线，而且在这条走线的任何地方截面都相同。图一是一个微带线的例子。- @4 S4 g6 Y3 q: l2 c, r% h$ y2 M) R$ i! O) ?5 q图一. 一条典型的微带线的截面假设我们给这条线加一个1V的阶跃电压，比如我们在这条线和它的返回路径之间接上一个1V的电池。在我们接上的瞬间，电压信号就以光在介质中的速度沿着走线向前传播，这个速度典型值约6in/ns。这个信号，当然，就是在信号线和相邻返回路径上任意相邻两点测得的电压差。沿着走线传播的电压信号边沿如图二所示：: V6 }2 n/ K: I% k??QEDA365论坛网站|PCB论坛网|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛$ q- i??I% a??i. y, E; f ] s图二. 在时间轴上某一点，信号沿着传输线传播时的波形EDA365论坛网站|PCB论坛网|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛. F9 ]6 @) |8 f% I% O5 L1 |* t用一种拟人化的方法，假如你自己就是信号，以6in/ns的速度沿着传输线向前传播。那么你会看到什么呢？在刚开始的10ps内，你沿着传输线走了约 0.06in，让我们把时间固定再来看传输线，在你身后，你已经在传输线和返回路径之间建立起了稳定的1V电压信号，这就意味着在你身后的传输线上有额外的正电荷，在返回路径上有额外的负电荷。就是这些额外的电位差维持了构成电容器的两个导体之间的1V电压信号。在你前面，传输线并不知道你正在往前走，所以信号线和返回路径之间的电压仍然是0V。在下一个10ps内，随着你的脚步，你将把你脚下长度为0.06in的区域上的电压从0V改变成1V。要做到这一点，你必须给信号线增加一些正电荷，给返回路径增加一些负电荷。对于你走的每一个0.06in长度，你都要增加更多的正电荷给信号线和更多的负电荷给返回路径。每10ps，传输线上就有另外一个长度区域就被充电，信号沿着传输线向前传播。但是充电的电荷是从哪里来的呢？6 {) [ M- @; d8 q3 L答案：电荷是从源头来的，也就是我们为了给传输线上建立初始信号而给传输线接上的那个电池。当我们自己是信号并沿着传输线前进的时候，我们就连续地给传输线充电。在我们身后的信号线和传输路径上，便留下了1V的电压差。每10ps，我们就开始新的脚步并从电池吸取另外一部份电荷dQ，这个恒定的电荷常量 dQ，在恒定的时间间隔dt内从电池流出，这样就形成了恒定的电流。正电流流入信号线，负电流在相同的时刻流入返回路径。负电流流入返回路径其实也就是正电荷流出返回路径。而且，恰好在信号波形的前沿这个地方，交流电流从信号线和返回路径构成的电容上流过并形成回路。如图三所示：EDA365论坛网站|PCB论坛网|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛4 G B7 d4 J q+ `: x图三. 信号在传输线上传播时的电流路径，注意电流在信号电压充电的地方返回源头。$ i5 H3 X0 q: l3 f传输线的阻抗EDA365论坛网站|PCB论坛网|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛3 m??\7 i7 h$ E$ p {从电池的角度来看，一旦你把它连接到传输线的前端上，为了维持稳定的电压，就会有一个恒定的电流流出。你可能会问，什么类型的电路元件具备如此特性----保持电压恒定不变而有恒定的电流流动，这就是电阻。EDA365论坛网站|PCB论坛网|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛; K- X% z9 f1 k$ s3 ?$ T对电池来讲，当信号沿着传输线传播的时候（着重强调），每10ps就连续地充电0.06in长度