PCB技術(shù)在高速設(shè)計(jì)中的特性阻抗問題

　　在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國(guó)工程師。本文通過(guò)簡(jiǎn)單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測(cè)量方法。

　　在高速設(shè)計(jì)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(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)（切記“回路”取代“地”的概念）。在一個(gè)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(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。

　　線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)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(guān)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(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，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(fā)送線路和回路之間），一旦連接，這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。

　　Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。

　　在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開始沿著這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時(shí)間間隔（±t）內(nèi)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(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流通過(guò)上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。過(guò)程如圖3所示。

　　線路的阻抗

　　對(duì)電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01納秒對(duì)連續(xù)0.06英寸傳輸線段進(jìn)行充電。從電源獲得恒定的電流時(shí)，傳輸線看起來(lái)像一個(gè)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(dāng)信號(hào)沿著線路傳播時(shí)，在下一步之前，0.01納秒之內(nèi)，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(shí)阻抗的概念。

　　從電池的角度看時(shí)，如果信號(hào)以一種穩(wěn)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(jìn)一步需要相同的電荷量，以產(chǎn)生相同的信號(hào)電壓。當(dāng)沿著這條線前進(jìn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同樣的瞬時(shí)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(hào)在傳遞過(guò)程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認(rèn)為是可控阻抗傳輸線。

　　瞬時(shí)阻抗或特性阻抗，對(duì)信號(hào)傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過(guò)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(jìn)行，但若阻抗發(fā)生變化，那會(huì)出現(xiàn)一些問題。

　　為了達(dá)到最佳信號(hào)質(zhì)量，內(nèi)部連接的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號(hào)傳遞過(guò)程中盡量保持阻抗穩(wěn)定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩(wěn)定，因此，可控阻抗板的生產(chǎn)變得越來(lái)越重要。另外，其它的方法如余線長(zhǎng)度最短化、末端去除和整線使用，也用來(lái)保持信號(hào)傳遞中瞬時(shí)阻抗的穩(wěn)定。