高速PCB設計指南（8）：如何掌握IC封裝的特性
http://0-fzl.cn/emc-art/80028403
高速PCB設計指南（7）：PCB的可靠性設計
http://0-fzl.cn/emc-art/80028402

在高速設計中，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：傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成，一個導體用來發送信號
，另一個用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平麵可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關鍵是使它的特性阻抗在整個線路中保持恒定。

　　

線路板成為“可控阻抗板”的關鍵是使所有線路的特性阻抗滿足一個規定值，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鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。

　　

但(dan)是(shi)，究(jiu)竟(jing)什(shen)麼(me)是(shi)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)
？理(li)解(jie)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)看(kan)信(xin)號(hao)在(zai)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)碰(peng)到(dao)了(le)什(shen)麼(me)。當(dang)沿(yan)著(zhe)一(yi)條(tiao)具(ju)有(you)同(tong)樣(yang)橫(heng)截(jie)麵(mian)傳(chuan)輸(shu)線(xian)移(yi)動(dong)時(shi)
，這(zhe)類(lei)似(si)圖(tu)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(它位於發送線路和回路之間)
，一旦連接，這個電壓波信號沿著該線以光速傳播
，它的速度通常約為6英寸/納秒。當然
，這個信號確實是發送線路和回路之間的電壓差，它可以從發送線路的任何一點和回路的相臨點來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。

　　

Zen的方法是先“產生信號”，然後沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個0.01納秒前進了0.06英寸，這時發送線路有多餘的正電荷，而回路有多餘的負電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導體之間的1伏電壓差
，而這兩個導體又組成了一個電容器。

　　

在下一個0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調整到1伏特，這必須加一些正電荷到發送線路，而加一些負電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發送線路
，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納na秒miao

，必bi須xu對dui傳chuan輸shu線xian路lu的de另ling外wai一yi段duan進jin行xing充chong電dian，然ran後hou信xin號hao開kai始shi沿yan著zhe這zhe一yi段duan傳chuan播bo。電dian荷he來lai自zi傳chuan輸shu線xian前qian端duan的de電dian池chi，當dang沿yan著zhe這zhe條tiao線xian移yi動dong時shi，就jiu給gei傳chuan輸shu線xian的de連lian續xu部bu分fen充chong電dian，因yin而er在zai發fa送song線xian路lu和he回hui路lu之zhi間jian形xing成cheng了le1伏特的電壓差。每前進0.01納秒,就從電池中獲得一些電荷(±Q)
，恒定的時間間隔(±t)內從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負電流實際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結束整個循環過程。過程如圖3所示。

線路的阻抗 

　　

對電池來說，當信號沿著傳輸線傳播，並且每隔0.01納秒對連續0.06英寸傳輸線段進行充電。從電源獲得恒定的電流時，傳輸線看起來像一個阻抗器，並且它的阻抗值恒定
，這可稱為傳輸線路的“浪湧”阻抗(surge impedance)。

同樣地，當信號沿著線路傳播時，在下一步之前
，0.01納秒之內，哪一種電流能把這一步的電壓提高到1伏特？這就涉及到瞬時阻抗的概念。

　　

從電池的角度看時，如果信號以一種穩定的速度沿著傳輸線傳播
，並且傳輸線具有相同的橫截麵，那麼在0.01namiaozhongmeiqianjinyibuxuyaoxiangtongdedianheliang，yichanshengxiangtongdexinhaodianya。dangyanzhezhetiaoxianqianjinshi，huichanshengtongyangdeshunshizukang

，zhebeishiweichuanshuxiandeyizhongtexing，beichengweitexingzukang。ruguoxinhaozaichuandiguochengdemeiyibudetexingzukangxiangtong
，namegaichuanshuxiankerenweishikekongzukangchuanshuxian。

　　

瞬(shun)時(shi)阻(zu)抗(kang)或(huo)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)，對(dui)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)質(zhi)量(liang)而(er)言(yan)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。在(zai)傳(chuan)遞(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)


，如(ru)果(guo)下(xia)一(yi)步(bu)的(de)阻(zu)抗(kang)和(he)上(shang)一(yi)步(bu)的(de)阻(zu)抗(kang)相(xiang)等(deng)，工(gong)作(zuo)可(ke)順(shun)利(li)進(jin)行(xing)
，但(dan)若(ruo)阻(zu)抗(kang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，那(na)會(hui)出(chu)現(xian)一(yi)些(xie)問(wen)題(ti)。

　　

weiledadaozuijiaxinhaozhiliang

，neibulianjiedeshejimubiaoshizaixinhaochuandiguochengzhongjinliangbaochizukangwending
，shouxianbixubaochichuanshuxiantexingzukangdewending，yinci，kekongzukangbandeshengchanbiandeyuelaiyuezhongyao。lingwai

，qitadefangfaruyuxianchangduzuiduanhua、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩定。

 

　　

當電池和傳輸線連接時(假如當時阻抗為50歐姆)
，將歐姆表連接在3英尺長的RG58光纜上，這時如何測無窮阻抗呢
？任何傳輸線的阻抗都和時間有關。如果你在比光纜反射更短的時間裏測量光纜的阻抗，你測量到的是“浪湧”阻(zu)抗(kang)
，或(huo)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)。但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)等(deng)待(dai)足(zu)夠(gou)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)直(zhi)到(dao)能(neng)量(liang)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)並(bing)接(jie)收(shou)後(hou)，經(jing)測(ce)量(liang)可(ke)發(fa)現(xian)阻(zu)抗(kang)有(you)變(bian)化(hua)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)
，阻(zu)抗(kang)值(zhi)上(shang)下(xia)反(fan)彈(dan)後(hou)會(hui)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)極(ji)限(xian)值(zhi)。

　　

對於3英尺長的光纜
，必須在3納秒內完成阻抗的測量。TDR(時間域反射儀)能做到這一點
，它可以測量傳輸線的動態阻抗。如果在1秒鍾內測量3英尺光纜的阻抗，信號會來回反射數百萬次，因此會得到不同的“浪湧”阻抗。

 

　　

簡單的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信號傳遞過程中每一步的阻抗
，V代表信號進入傳輸線時的電壓，I代表電流。I=±Q/±t，Q代表電量，t代表每一步的時間。

　　

電量(來源於電池)：±Q=±C×V
，C代表電容，V代表電壓。電容可以用傳輸線單位長度容量CL和信號傳遞速度v來推導。單位引腳的長度值當作速度，再乘以每步所需時間t, 則得到公式: ±C=CL×v×(±)t。 
 

綜合以上各項，我們可以得出特性阻抗： 

　　

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

　　

可以看出
，特性阻抗跟傳輸線單位長度容量和信號傳遞速度有關。為了區別特性阻抗和實際阻抗Z，我們在Z後麵加上0。傳輸線特性阻抗為：Z0=1/(CL×v) 

　　

如(ru)果(guo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)單(dan)位(wei)長(chang)度(du)容(rong)量(liang)和(he)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)速(su)度(du)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)，那(na)麼(me)傳(chuan)輸(shu)線(xian)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)也(ye)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)。這(zhe)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)說(shuo)明(ming)能(neng)將(jiang)電(dian)容(rong)常(chang)識(shi)和(he)新(xin)發(fa)現(xian)的(de)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)理(li)論(lun)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi)。如(ru)果(guo)增(zeng)加(jia)傳(chuan)輸(shu)線(xian)單(dan)位(wei)長(chang)度(du)容(rong)量(liang)，例(li)如(ru)加(jia)粗(cu)傳(chuan)輸(shu)線(xian)
，可(ke)降(jiang)低(di)傳(chuan)輸(shu)線(xian)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)。