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信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解

發(fā)布時(shí)間:2021-10-28 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)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(tài)阻抗就不變,傳輸線是均勻的。對于均勻傳輸線,恒定的瞬態(tài)阻抗說明了傳輸線的特性,稱為特性阻抗。


阻抗的均勻穩(wěn)定,對信號的傳輸至關(guān)重要,所以,本文聊一聊阻抗。


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


瞬態(tài)阻抗


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


當(dāng)信號在傳輸線上傳播時(shí),信號感受到的瞬態(tài)阻抗與單位長度電容和材料的介電常數(shù)有關(guān),可表示為:


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


這個(gè)公式的推導(dǎo)過程如


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


而電流的推導(dǎo)可以由以下式子求得:


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)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(tài)阻抗就不變,傳輸線是均勻的。對于均勻傳輸線,恒定的瞬態(tài)阻抗說明了傳輸線的特性,稱為特性阻抗。


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


2. 特性阻抗


對于均勻傳輸線,當(dāng)信號在上面?zhèn)鞑r(shí),在任何一處受到的瞬態(tài)阻抗都是相同的。在瞬態(tài)阻抗不變時(shí),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(diǎn)的電壓和電流的比值,即Z0=V/I. 由電報(bào)方程可以推導(dǎo)出阻抗的經(jīng)典計(jì)算公式:


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)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(dǎo)和電容。通常,因?yàn)镽和G都比其他項(xiàng)要小得多而忽略不計(jì),特征阻抗近似為


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


重要推導(dǎo)之一:50 歐姆阻抗的計(jì)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(gè)參數(shù)保持不變,信號受到的瞬態(tài)阻抗就是一個(gè)常數(shù)。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(tài)阻抗的關(guān)系。例如,若介電常數(shù)為4,單位長度電容為3.3pf/in,則傳輸線的瞬態(tài)阻抗為,


信號完整性基礎(chǔ):瞬態(tài)阻抗與特性阻抗圖解


重要推導(dǎo)之二:自由空間的特性阻抗


一個(gè)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(dǎo)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(gè)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(shè)計(jì)電路板有重要的參考意義,能讓我們在制作電路前有個(gè)直覺的認(rèn)識。


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