高速设计中的特性阻抗问题

高速设计中的特性阻抗问题
在高速设计中，可控阻抗板和线路的特性阻抗问题困扰着许多中国工程师。本文通过简
单而且直观的方法介绍了特性阻抗的基本性质、计算和测量方法。
Eric Bogatin
独立顾问
Bogatin公司
在高速设计中，可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解
一下传输线的定义：传输线由两个具有一定长度的导体组成，一个导体用来发送信号，
另一个用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。在一个多层板中，每一条线路
都是传输线的组成部分，邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“性
能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。
线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值，通常在25
欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中，传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条
线路中保持恒定。
但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么
。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时，这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特
的电压阶梯波加到这条传输线中，如把1伏特的电池连接到传输线的前端(它位于发送线
路和回路之间)，一旦连接，这个电压波信号沿着该线以光速传播，它的速度通常约为6
英寸/纳秒。当然，这个信号确实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。图2是该电压信号的传输示意图。
Zen的方法是先“产生信号”，然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0
.01纳秒前进了0.06英寸，这时发送线路有多余的正电荷，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1伏电压差，而这两个导体又组成了一个电容器。
在下一个0.01纳秒中，又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特，这必须加一
些正电荷到发送线路，而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0.01纳秒，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，当沿着
这条线移动时，就给传输线的连续部分充电，因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的
电压差。每前进0.01纳秒,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，交流电流通过上、下线路组成的电容，结束整个循环
过程。过程如图3所示。
线路的阻抗
对电池来说，当信号沿着传输线传播，并且每隔0.01纳秒对连续0.06英寸传输线段进行
充电。从电源获得恒定的电流时，传输线看起来像一个阻抗器，并且它的阻抗值恒定，
这可称为传输线路的“浪涌”阻抗(surge impedance)。
同样地，当信号沿着线路传播时，在下一步之前，0.01纳秒之内，哪一种电流能把这一
步的电压提高到1伏特？这就涉及到瞬时阻抗的概念。
从电池的角度看时，如果信号以一种稳定的速度沿着传输线传播，并且传输线具有相同
的横截面，那么在0.01纳秒中每前进一步需要相同的电荷量，以产生相同的信号电压。
当沿着这条线前进时，会产生同样的瞬时阻抗，这被视为传输线的一种特性，被称为特
性阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同，那么该传输线可认为是可控阻
抗传输线。
瞬时阻抗或特性阻抗，对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中，如果下一步的阻
抗和上一步的阻抗相等，工作可顺利进行，但若阻抗发生变化，那会出现一些问题。
为了达到最佳信号质量，内部连接的设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定，
首先必须保持传输线特性阻抗的稳定，因此，可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外
，其它的方法如余线长度最短化、末端去除和整线使用，也用来保持信号传递中瞬时阻
抗的稳定。
特性阻抗的计算
简单的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信号传递过程中每一步的阻抗，V代表信号进入传输
线时的电压，I代表电流。I=±Q/±t，Q代表电量，t代表每一步的时间。
电量(来源于电池)：±Q=±C×V，C代表电容，V代表电压。电容可以用传输线单位长度
容量CL和信号传递速度v来推导。单位引脚的长度值当作速度，再乘以每步所需时间t, 
则得到公式: ±C=CL×v×(±)t。
综合以上各项，我们可以得出特性阻抗：
Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v)
可以看出，特性阻抗跟传输线单位长度容量和信号传递速度有关。为了区别特性阻抗和
实际阻抗Z，我们在Z后面加上0。传输线特性阻抗为：Z0=1/(CL×v)
如果传输线单位长度容量和信号传递速度保持不变，那么传输线特性阻抗也保持不变。
这个简单的说明能将电容常识和新发现的特性阻抗理论联系在一起。如果增加传输线单
位长度容量，例如加粗传输线，可降低传输线特性阻抗。
特性阻抗的测量
当电池和传输线连接时(假如当时阻抗为50欧姆)，将欧姆表连接在3英尺长的RG58光缆上
，这时如何测无穷阻抗呢？任何传输线的阻抗都和时间有关。如果你在比光缆反射更短
的时间里测量光缆的阻抗，你测量到的是“浪涌”阻抗，或特性阻抗。但是如果等待足
够长的时间直到能量反射回来并接收后，经测量可发现阻抗有变化。一般来说，阻抗值
上下反弹后会达到一个稳定的极限值。
对于3英尺长的光缆，必须在3纳秒内完成阻抗的测量。TDR(时间域反射仪)能做到这一点
，它可以测量传输线的动态阻抗。如果在1秒钟内测量3英尺光缆的阻抗，信号会来回反
射数百万次，因此会得到不同的“浪涌”阻抗。
本文作者Eric Bogatin在麻省理工学院获得物理学学士学位，在亚利桑那州立大学获得
物理学硕士和博士学位。他曾在AT&T公司、贝尔实验室和太阳微系统等著名公司工作过
。现任Bogatin公司独立顾问，专门从事信号完整性及互连设计的培训工作。
  问题：关于PCB的信号完整性（SI）设计的问题 发布时间：2002-04-05 作者： 新手
上路
目前，PCB设计中涉及到高速信号的的越来越多了。我想在这方面的进行学习，虽然看了
一些资料，知道了关于SI的的主要问题包括反射、振荡、地弹、串扰等，但是对于其产
生的的真正原因不十分清楚。比如反射问题，当负载阻抗小于源阻抗时，反射电压为负
，反之，若负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。现在我想了解的是关于此类现象的具
体分析，不知哪位高手能指点一二？
  回复：我来试着解释一下 发布时间：2002-04-05 作者： 北大荒人
第一先讲一下串扰，包括前向串扰和反向串扰，这主要是由于线路的电场效应及磁场效
应引起的。电场的变化在附近的线路（特别是并行走线）产生感应的电压脉冲，顺着信
号的传播方向传播，即前向串扰，磁场的变化在附近的线路产生反向传播的感应脉冲，
即反向串扰。串扰的大小随着并行走线的长度增强，但前向串扰的大小到达一定的强度
就不再随并行长度变化了，显然串扰的大小与两个并行走线的距离（平方）成反比。当
然，其他因素，如信号电平，及信号跳变方向都会有不同的影响。
  回复：继续！接上一回复！：） 发布时间：2002-04-05 作者： 北大荒人
地反弹是由由器件的接地管脚与地平面存在感性阻抗引起的，由于同步开关效应，瞬时
通过地管脚的电流变化非常的巨大，由于电感的存在，会产生巨大的感生电压，是芯片
的地平面高于系统地平面，严重时会使输入的信号与芯片地平面间的电压差小于逻辑高
电平，产生错误逻辑。
  回复：没有时间了，下周再讲。 发布时间：2002-04-05 作者： 北大荒人
本人曾搞过两年的高速信号的si（使用allegro),对这些东西全都是日积月累，但不善于
收集资料，以上全都是个人的理解，欢迎大家指正，探讨。
  回复：继续！ 发布时间：2002-04-09 作者： 北大荒人
信号的振铃，即上冲与下冲，是由于传输线的有限带宽引起的，由于理想的数字脉冲（
矩形脉冲）包含频谱范围是到无穷大，所以传输的波形实际上只是它的低频分量，这些
低频分量的叠加的反映在信号上就是振铃，也叫吉布斯现象。同时，还可以解释上升时
间，它也是由于带宽的限制引起的，阶跃响应的上升时间与截止带宽成反比。
  回复：继续！ 发布时间：2002-04-09 作者： 北大荒人
反射是由于阻抗不匹配引起的，在阻抗不连续点，由于电磁波在导体中传播时遇到不连
续介质不但要反射，而且反射光的偏振方向也与入射光的方向不同，反射系数与偏振光
夹角成正比，值由-1到+1，反射不但发生在阻抗不连续处，也在走线的锐角处发生，应
尽量避免。

申明：网友回复良莠不齐，仅供参考。如需专业解答，请学习本站推出的微波射频专业培训课程。