高速PCB设计的传输线及其特性阻抗

高速PCB设计的传输线及其特性阻抗

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

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

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

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：

*以下分析收自与网络资料 网际星空网站 oldfriend 老师的作品*

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。

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。