信號(hào)沿傳輸線方向以6英寸/ns的速度向前傳輸。在傳輸?shù)倪^程中信號(hào)會(huì)遇到什么樣的情況呢?在最開始的10ps時(shí)間間隔內(nèi),信號(hào)沿傳輸線方向行進(jìn)了0.06英寸的距離。假定鎖定時(shí)間在這一時(shí)刻,來考慮傳輸線發(fā)生的情況。在行進(jìn)的這一段距離上,信號(hào)的傳輸為這一段傳輸線和相應(yīng)臨近的信號(hào)返回通道之間建立起了穩(wěn)定的幅度為1V的常量信號(hào)。這意味著在行進(jìn)的這一段傳輸線和對(duì)應(yīng)的返回路徑上已經(jīng)積聚起了額外的正電荷和額外的負(fù)電荷來建立這一穩(wěn)定的電壓。也正是這些電荷的差異在這兩個(gè)導(dǎo)體之間建立并維持了一個(gè)穩(wěn)定的1 V 電壓信號(hào),而導(dǎo)體之間穩(wěn)定的電壓信號(hào)就為兩個(gè)導(dǎo)體之間建立了一個(gè)電容。
近年來,高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)越來越重要也是越來越為設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注議題就是受控阻抗的電路板設(shè)計(jì)以及電路板上互聯(lián)線的特征阻抗。然而,對(duì)于非電子的設(shè)計(jì)工程師來說,這也是一個(gè)最容易混淆也最不直觀的問題。甚至很多的電子設(shè)計(jì)工程師對(duì)此也同樣感到困惑。這篇資料將對(duì)特征阻抗作一個(gè)簡要而直觀的介紹,希望幫助大家了解傳輸線最基本的品質(zhì)。
什么是傳輸線?
什么是傳輸線?兩個(gè)具有一定長度的導(dǎo)體就構(gòu)成傳輸線。其中的一個(gè)導(dǎo)體成為信號(hào)傳播的通道,而另外的一個(gè)導(dǎo)體則構(gòu)成信號(hào)的返回通路(在這里我們提到信號(hào)的返回通路,實(shí)際上就是大家通常理解的地,但是為了敘述的方便,暫且忘掉地這一概念。)。在一個(gè)多層的電路板設(shè)計(jì)中,每一個(gè)PCB互聯(lián)線都構(gòu)成傳輸線中的一個(gè)導(dǎo)體,該傳輸線都將臨近的參考平面作為傳輸線的的第二個(gè)導(dǎo)體或者叫做信號(hào)的返回通路。什么樣的PCB互聯(lián)線是一個(gè)好的傳輸線呢?通常如果在同一個(gè)PCB互聯(lián)線上特征阻抗處處保持一致,這樣的傳輸線就成為高質(zhì)量的傳輸線。什么樣的電路板叫做受控阻抗的電路板?受控阻抗的電路板是指PCB板上所有傳輸線的特征阻抗符合統(tǒng)一的目標(biāo)規(guī)范,通常是指所有傳輸線的特征阻抗的值在25Ω到70Ω之間。
從信號(hào)的角度來考察
考慮特征阻抗最行之有效的辦法是考察信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí)信號(hào)本身看到了什么。為簡化問題的討論起見,假定傳輸線為微波傳輸帶(microstrip)類型,并且信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)傳輸線各處的橫斷面保持一致。
給該傳輸線加入幅度為1V的階躍信號(hào)。階躍信號(hào)是一個(gè)1V的電池,由前端接入,分別連接在信號(hào)線和返回通路之間。在接通電池的瞬間,信號(hào)電壓波形將以光速在電介質(zhì)中行進(jìn),速度通常約為6英寸/ns(信號(hào)為什么行進(jìn)如此快速,而不是接近電子傳播的速度大約1cm/s,這是另外一個(gè)話題,這里不做進(jìn)一步介紹)。當(dāng)然在這里信號(hào)仍然具有常規(guī)的定義,信號(hào)定義為信號(hào)線與返回通路上的電壓差,總是通過測(cè)量傳輸線上任何一點(diǎn)與之臨近的信號(hào)返回通路之間的電壓差值來獲得。
信號(hào)沿傳輸線方向以6英寸/ns的速度向前傳輸。在傳輸?shù)倪^程中信號(hào)會(huì)遇到什么樣的情況呢?在最開始的10ps時(shí)間間隔內(nèi),信號(hào)沿傳輸線方向行進(jìn)了0.06英寸的距離。假定鎖定時(shí)間在這一時(shí)刻,來考慮傳輸線發(fā)生的情況。在行進(jìn)的這一段距離上,信號(hào)的傳輸為這一段傳輸線和相應(yīng)臨近的信號(hào)返回通道之間建立起了穩(wěn)定的幅度為1V的常量信號(hào)。這意味著在行進(jìn)的這一段傳輸線和對(duì)應(yīng)的返回路徑上已經(jīng)積聚起了額外的正電荷和額外的負(fù)電荷來建立這一穩(wěn)定的電壓。也正是這些電荷的差異在這兩個(gè)導(dǎo)體之間建立并維持了一個(gè)穩(wěn)定的1 V 電壓信號(hào),而導(dǎo)體之間穩(wěn)定的電壓信號(hào)就為兩個(gè)導(dǎo)體之間建立了一個(gè)電容。
傳輸線上位于這一時(shí)刻信號(hào)波前后面的傳輸線段并不清楚會(huì)有信號(hào)要傳播過來,因而仍然維持信號(hào)線同返回通路之間的電壓為零。在接下來的10ps時(shí)間間隔內(nèi),信號(hào)又會(huì)沿傳輸線行進(jìn)一定的距離,信號(hào)繼續(xù)傳播的結(jié)果是又會(huì)在另一段長度為0.06英寸的傳輸線段同對(duì)應(yīng)的信號(hào)返回通路之間的建立起 1V的信號(hào)電壓。而為了做到這一點(diǎn),必須為信號(hào)線注入一定量的正電荷,同時(shí)為信號(hào)的返回通路注入同等數(shù)量的負(fù)電荷。信號(hào)沿傳輸線每傳播0.06英寸的長度,都會(huì)有更多的正電荷注入該信號(hào)線,也會(huì)有更多的負(fù)電荷注入信號(hào)返回通路。每隔10ps時(shí)間間隔,就會(huì)有另外一段傳輸線被充電到1 V,同時(shí)信號(hào)也會(huì)沿傳輸線方向繼續(xù)向前傳播。
這些電荷從何而來?答案是來自信號(hào)源,也就是我們用來提供階躍信號(hào)、連接在傳輸線前端的電池。隨著信號(hào)在傳輸線上的傳播,信號(hào)不斷地為傳播經(jīng)過的傳輸線段充電,確保信號(hào)傳輸過程中所到之處信號(hào)線與返回路徑之間建立并維持起1 V的電壓。每隔10ps時(shí)間間隔,信號(hào)會(huì)在傳輸線上傳播一定的距離,并且從電源系統(tǒng)中汲取一定數(shù)量的電荷δQ。電池在一段時(shí)間間隔δt內(nèi)的向外提供一定數(shù)量的電荷δQ,就形成了恒定的信號(hào)電流。正的電流會(huì)從電池流入信號(hào)線,而與此同時(shí)同樣大小的負(fù)電流會(huì)流經(jīng)信號(hào)的返回路徑。
流經(jīng)信號(hào)返回通路的負(fù)電流同流入信號(hào)線的正電流大小完全一致。而且,就在信號(hào)波前的位置,AC電流流經(jīng)由信號(hào)線和信號(hào)返回通路構(gòu)成的電容,完成了信號(hào)環(huán)路。
傳輸線的特征阻抗
從電池的角度來看,一旦設(shè)計(jì)工程師將電池的引線連入傳輸線的前端,就總有一個(gè)常量值的電流從電池中流出,并且保持電壓信號(hào)的穩(wěn)定不變。也許有人會(huì)問,是什么樣的電子元器件具有這樣的行為?加入恒定不變的電壓信號(hào)時(shí)會(huì)維持恒定不變的電流值,當(dāng)然是電阻。
而對(duì)電池來說,信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每隔10ps時(shí)間間隔,會(huì)新增加0.06英寸的傳輸線段被充電至1V,從電池中獲得的新增加的電荷確保從電池中維持一個(gè)穩(wěn)定的電流,從電池吸收恒定的電流,傳輸線就等同于一個(gè)電阻,并且阻值恒定。我們稱之為傳輸線的浪涌阻抗。
同樣,當(dāng)信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每傳播一定的距離,信號(hào)會(huì)不斷地探查信號(hào)線的電環(huán)境,并且試圖確定信號(hào)進(jìn)一步向前傳播時(shí)的阻抗。一旦信號(hào)已經(jīng)加入到傳輸線上并且沿傳輸線向前傳播,信號(hào)本身就一直在考查到底需要多大的電流來充電10ps 時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的傳輸線長度,并保持將這一部分的傳輸線段充電到1V。這正是我們要分析的瞬間阻抗值。
從電池本身的角度來看,如果信號(hào)以恒定的速度沿傳輸線方向傳播,而且假定傳輸線具有一致的橫斷面,那么信號(hào)每傳播一個(gè)固定的長度(比如10ps時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)傳播的距離),那么需要從電池中獲取同等數(shù)量的電荷來確保將這一段傳輸線充電到同樣的信號(hào)電壓。信號(hào)每傳播一個(gè)固定的距離,都會(huì)從電池獲取同樣的電流,并且保持信號(hào)電壓一致,在信號(hào)傳播過程中,傳輸線上各處的瞬間阻抗都是一致的。
信號(hào)沿傳輸線傳播過程當(dāng)中,如果傳輸線上各處具有一致的信號(hào)傳播速度,并且單位長度上的電容也一樣,那么信號(hào)在傳播過程中總是看到完全一致的瞬間阻抗。由于在整個(gè)傳輸線上阻抗維持恒定不變,我們給出一個(gè)特定的名稱,來表示特定的傳輸線的這種特征或者是特性,稱之為該傳輸線的特征阻抗。特征阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí),信號(hào)看到的瞬間阻抗的值。如果信號(hào)沿傳輸線在傳播的過程當(dāng)中,任何時(shí)候信號(hào)看到的特征阻抗都保持一致的話,那么這樣的傳輸線就稱為受控阻抗的傳輸線。
傳輸線特征阻抗是設(shè)計(jì)中最重要的因素
傳輸線的瞬間阻抗或者是特征阻抗是影響信號(hào)品質(zhì)的最重要的因素。如果信號(hào)傳播過程中,相鄰的信號(hào) 傳播間隔之間阻抗保持一致,那么信號(hào)就可以十分平穩(wěn)地向前傳播,因而情況變得十分簡單。如果相鄰的信號(hào)傳播間隔之間存在差異,或者說阻抗發(fā)生了改變,信號(hào)中能量的一部分就會(huì)往回反射,信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性也會(huì)被破壞。
為了確保最佳的信號(hào)質(zhì)量,信號(hào)互聯(lián)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要確保信號(hào)在傳輸過程中看到的阻抗盡可能地保持恒定不變。這里主要是指要保持傳輸線的特征阻抗為常量。所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造受控阻抗的PCB板就變得越來越重要。而至于任何其它的設(shè)計(jì)訣竅諸如最小化金手指長度、終端匹配、菊花鏈連接或者是分支連接等等都是為了確保信號(hào)能夠看到一致的瞬間阻抗。
特征阻抗的計(jì)算
從上述簡單的模型中我們可以推算出特征阻抗的值,即信號(hào)在傳輸過程中看到的瞬間阻抗的值。信號(hào)在每一個(gè)傳播間隔里看到的阻抗Z有同基本的關(guān)于阻抗的定義一致
Z=V/I
這里的電壓V是指加入到傳輸線上的信號(hào)電壓,而電流I是指在每一個(gè)時(shí)間間隔δt內(nèi)從電池中得到的電荷總量δQ,所以
I=δQ/δt
流入傳輸線中的電荷(這些電荷最終來自信號(hào)源),用于將信號(hào)在傳播過程中新增的信號(hào)線與返回通路之間構(gòu)成的電容δC充電至電壓V,所以
δQ=VδC
我們可以將信號(hào)在傳播過程中每行進(jìn)一定的距離而導(dǎo)致的電容同傳輸線單位長度上的電容值CL以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度U聯(lián)系起來。同時(shí)信號(hào)傳播的距離是速度U乘以時(shí)間間隔δt。所以
δC= CL U δt
將以上所有的等式結(jié)合起來,我們可以推導(dǎo)出來瞬間阻抗為:
Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(V CL U δt /δt)=1/(CL U)
可以看到瞬間阻抗同單位傳輸線長度上的電容值以及信號(hào)傳輸?shù)乃俣扔嘘P(guān)。同樣也可以人為這就是傳輸線特征阻抗的定義。為了將特征阻抗從實(shí)際阻抗Z中區(qū)分開來,特意為特征阻抗加入一個(gè)下標(biāo)0,從上面的推導(dǎo)中已經(jīng)得到了信號(hào)傳輸線的特征阻抗:
Z0=1/(CL U)
如果傳輸線上單位長度的電容值以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度保持為常量,那么該傳輸線就在其長度范圍內(nèi)具有恒定不變的特征阻抗,這樣的傳輸線就稱之為受控阻抗的傳輸線。
從以上簡要的說明中看出,關(guān)于電容的一些直觀的認(rèn)識(shí)可以同新發(fā)現(xiàn)的特征阻抗的直觀的認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來。換句話說,如果把PCB中的信號(hào)連線拓寬,那么傳輸線單位長度上的電容值就會(huì)增大,而傳輸線的特征阻抗就可以降低。
耐人尋味的話題
經(jīng)??梢月牭接嘘P(guān)傳輸線特征阻抗的一些混淆的說法。通過上面的分析知道,將信號(hào)源連接到傳輸線上之后,應(yīng)該可以看到某一個(gè)值的傳輸線特征阻抗,舉例來說50Ω,然而如果將一個(gè)歐姆表同一段3英尺長的RG58線纜連接時(shí),測(cè)量到的阻抗卻是無窮大。
問題的答案在于從任何傳輸線前端看過去的阻抗值是隨時(shí)間變化的。如果測(cè)量線纜阻抗的時(shí)間短到可以和信號(hào)在線纜中來回往返一次的時(shí)間可以比擬時(shí),你就可以測(cè)量到該線纜的浪涌阻抗或者又稱為線纜的特征阻抗。然而如果等待足夠的時(shí)間的話,就會(huì)有一部分能量反射回來并且為測(cè)量儀器檢測(cè)到,這時(shí)就可以檢測(cè)到阻抗的變化,通常情況下,在這一過程中,阻抗會(huì)來回變化,直到阻抗值達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài):如果線纜的末端是開路,最終的阻抗值為無窮大,如果線纜的末端是短路,最終的阻抗值為零。
對(duì)于3英尺長的RG58線纜來說,必須在小于3ns的時(shí)間間隔內(nèi)完成阻抗的測(cè)量過程。這就是時(shí)域反射計(jì)(TDR)要完成的工作。TDR可以測(cè)量傳輸線的動(dòng)態(tài)阻抗。如果需要花1s的時(shí)間間隔來測(cè)量3英尺長的RG58線纜的阻抗,那么在這一段時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)已經(jīng)來回反射了幾百萬次,那么你可能從阻抗的巨大的變動(dòng)中得到完全不同的阻抗的值,最終得到的結(jié)果是無窮大,因?yàn)榫€纜的終端是開路。
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