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信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解

發布時間:2021-10-28 責任編輯:lina

【導讀】如果PCB上線條的厚度和寬度不變,并且走線和返回平面間距離不變,那么信號感受到的瞬態阻抗就不變,傳輸線是均勻的。對于均勻傳輸線,恒定的瞬態阻抗說明了傳輸線的特性,稱為特性阻抗。


阻抗的均勻穩定,對信號的傳輸至關重要,所以,本文聊一聊阻抗。


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


瞬態阻抗


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


當信號在傳輸線上傳播時,信號感受到的瞬態阻抗與單位長度電容和材料的介電常數有關,可表示為:


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


這個公式的推導過程如


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


而電流的推導可以由以下式子求得:


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


如果PCB上線條的厚度和寬度不變,并且走線和返回平面間距離不變,那么信號感受到的瞬態阻抗就不變,傳輸線是均勻的。對于均勻傳輸線,恒定的瞬態阻抗說明了傳輸線的特性,稱為特性阻抗。


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


2. 特性阻抗


對于均勻傳輸線,當信號在上面傳播時,在任何一處受到的瞬態阻抗都是相同的。在瞬態阻抗不變時,我們將其稱為特性阻抗。


傳輸線的特性阻抗Z0定義為線上任意點的電壓和電流的比值,即Z0=V/I. 由電報方程可以推導出阻抗的經典計算公式:


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


如果PCB上線條的厚度增大或者寬度增加,單位長度電容增加,特性阻抗就變小。同樣,走線和返回平面間距離減小,電容增大,特性阻抗也減小。其中,R、L、G、C分別表示單位長度的電阻、電感、電導和電容。通常,因為R和G都比其他項要小得多而忽略不計,特征阻抗近似為


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


重要推導之一:50 歐姆阻抗的計算由來


由特性阻抗的公式,可以看出只要傳輸線的橫截面和材料特性這兩個參數保持不變,信號受到的瞬態阻抗就是一個常數。由于信號的的速度取決于材料特性,所以,可以得出傳輸線單位長度電容和瞬態阻抗的關系。例如,若介電常數為4,單位長度電容為3.3pf/in,則傳輸線的瞬態阻抗為,


信號完整性基礎:瞬態阻抗與特性阻抗圖解


重要推導之二:自由空間的特性阻抗


一個很重要的特性阻抗就是自由空間的特性阻抗,也叫自由空間的波阻抗,在EMC中非常重要。自由空間特性阻抗為 。


重要推導之三:單位長度電容與單位長度電感


FR4板材的PCB板上,特性阻抗傳輸線另一個特性是:


單位長度電容=3.3pF/in

單位長度電感=8.3nH/i


解這些特殊的特性阻抗,對于設計電路板有重要的參考意義,能讓我們在制作電路前有個直覺的認識。


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