傳輸線的TDR阻抗的原因和原理分析

一、傳輸線的TDR阻抗為什么是上翹的？

在做SI仿真時(shí)，經(jīng)常需要查看差分線的TDR阻抗，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)即使是一段非常均勻的傳輸線，其TDR阻抗也是逐漸上翹的，這是為什么呢？如下圖所示，是一段5in長的差分微帶線，其模型如下，導(dǎo)體材料是copper，電導(dǎo)率為5.8e7.

?TDR阻抗

我們發(fā)現(xiàn)阻抗從104逐漸增加到107了，增加了3歐姆。那這段差分線的阻抗到底是多少呢？104還是107還是兩者取平均？我們先用ADS自帶的CILD來計(jì)算一下，如下圖，差分阻抗是104.13歐姆。

ADS CILD計(jì)算結(jié)果

我們?cè)倏纯磒olar計(jì)算的結(jié)果，是103.16歐，與104比較接近。這說明這段傳輸線的阻抗是104歐，應(yīng)該以TDR的起始點(diǎn)作為阻抗值。那么為啥TDR阻抗要上翹呢？ ?

Polar計(jì)算結(jié)果

二、TDR阻抗上翹的原理

先來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如下圖所示，同樣的模型，我只改變介質(zhì)損耗和導(dǎo)體的電導(dǎo)率，3種情況如下圖所示，紅色就是原始情況，既有導(dǎo)體損耗(默認(rèn)電導(dǎo)率5.8e7)又有介質(zhì)損耗(df=0.01)的情況下，TDR曲線是上翹的。而當(dāng)把介質(zhì)損耗加大到0.03時(shí)，紅色TDR變成了藍(lán)色曲線，也就是說上翹減小了，區(qū)域平坦了。這時(shí)候，再把銅導(dǎo)體改為PEC，我們發(fā)現(xiàn)藍(lán)色曲線變成了粉色，TDR不但沒有上翹，反而是下降趨勢(shì)了。是不是覺得很奇怪，好像從來沒有見過TDR阻抗往下飄的情況。不著急，且聽我娓娓道來。

不同導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗下的TDR曲線

上面的實(shí)驗(yàn)表明，如果只有單純的介質(zhì)損耗，如粉粉色曲線所示，那么TDR其實(shí)是往下飄的，正是由于導(dǎo)體損耗的存在，導(dǎo)致了TDR往上飄了?？偨Y(jié)以下就是介質(zhì)損耗導(dǎo)致TDR曲線往下飄，導(dǎo)體損耗導(dǎo)致TDR往上飄。那么兩者同時(shí)存在的時(shí)候，就看誰的比重大，就往哪個(gè)方向飄。所以導(dǎo)體損耗才是TDR上飄的罪魁禍?zhǔn)住Q句話說，如果導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗的比例恰當(dāng)，也可以不飄，如藍(lán)色曲線所示。 在我們現(xiàn)實(shí)情況中，由于導(dǎo)體損耗是一定存在的，同時(shí)介質(zhì)損耗比較低，所以往往看到的大多數(shù)情況是上飄。有時(shí)候也會(huì)看到比較平坦的長走線阻抗，這并不一定是PCB廠家牛逼，而可能是材料的介質(zhì)損耗較大，如圖紙藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)的情況，df=0.03，這是一個(gè)損耗較大的介質(zhì)材料。 當(dāng)然PCB廠家應(yīng)該盡量把導(dǎo)體的粗糙度減小點(diǎn)，也會(huì)減小導(dǎo)體損耗，使得TDR阻抗更加平坦，這也是跟廠家的工藝相關(guān)的。那么作為一個(gè)對(duì)技術(shù)有追求的工程師，一定要多問幾個(gè)為什么？即為什么導(dǎo)體損耗的存在會(huì)使得TDR就往上飄了呢？其實(shí)這要從傳輸線的阻抗公式說起，如下圖所示，阻抗

圖1 Z是RLGC的函數(shù)。在頻率比較高的時(shí)候，虛部jwl和jwc占據(jù)主導(dǎo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)部的R和G，因此，Z最終可以化簡為下圖2的公式。

圖2 換句話說，Z其實(shí)是隨頻率變化的，只有當(dāng)頻率大于某個(gè)頻率以后，阻抗才能化簡為L/C的開方，并且跟頻率不再相關(guān)。那么在某個(gè)頻率之前，阻抗Z究竟是怎么變化的呢？為了研究這個(gè)變化的趨勢(shì)，我們隨便設(shè)計(jì)一段微帶線，然后求出RLGC，再根據(jù)阻抗Z的公式畫出阻抗Z隨頻率f的變化曲線，如下圖：?

50歐微帶線

等效的RLGC

Z隨頻率f的變化曲線

在ads里面可以很方便地使用公式畫出阻抗Z的曲線圖。從圖中可以看出，大約在300MHz以后，阻抗Z就呈現(xiàn)定值，不再隨頻率變化了。那么在1MHz之前，阻抗大約是高頻時(shí)候的2.2倍左右達(dá)到110歐姆，也是一個(gè)定值。而從1MHz~300MHz之間特征阻抗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這一段頻率范圍稱之為過渡區(qū)。 再回到時(shí)域TDR測(cè)量，由于TDR測(cè)量阻抗采用的是時(shí)域反射的方法，其信號(hào)源是一個(gè)躍階信號(hào)的上升沿，其包含非常高的頻率分量，很顯然，在信號(hào)源從0開始上升的瞬間，頻率是最高的，包含較多的高頻分量(這跟上升沿的時(shí)間有關(guān)系)，所以剛開始的阻抗對(duì)用的其實(shí)是高頻分量感受到的阻抗。隨著時(shí)間的推移，頻率分量從高頻往低頻下降，那么阻抗就是會(huì)逐漸上升的，如上如所示。隨著時(shí)間越長（走線長度越長），低頻分量越低，其阻抗也會(huì)越高，因此會(huì)看到往上飄的趨勢(shì)。具體飄到多高主要取決于傳輸線的長度，也就是信號(hào)傳輸?shù)难舆t了。所以TDR曲線在時(shí)間上的上飄其實(shí)對(duì)應(yīng)著阻抗隨頻率的下降。

?TDR的躍階信號(hào)源

同樣，如果是理想導(dǎo)體，沒有導(dǎo)體損耗的時(shí)候，TDR就是往下飄的，我們也可以用此方法進(jìn)行分析。如下圖是理想導(dǎo)體時(shí)，只有介質(zhì)損耗存在的RLGC。

理想導(dǎo)體下的Z曲線

可以看到，如果導(dǎo)體是理想的，只有介質(zhì)損耗存在時(shí)，通過RLGC值可以畫出阻抗Z的曲線就是逐漸上升的。相應(yīng)的TDR曲線就是往下飄的。 所以在低頻的時(shí)候，其實(shí)主要取決于R/G的比值，當(dāng)R>>G的時(shí)候，其比值就會(huì)很大，這時(shí)候Z就非常大，那么阻抗頻率曲線就是下降的，當(dāng)R<

三、學(xué)習(xí)小結(jié)

1、綜上對(duì)于一段長的均勻傳輸線來說，其TDR上翹的原因是兩方面構(gòu)成： 一是由于導(dǎo)體損耗的存在，即R>>G； 二是TDR測(cè)量阻抗的原理是發(fā)射躍階信號(hào)源，剛開始上升的很短時(shí)刻首先是大部分高頻分量(>300MHz)先感受到這個(gè)阻抗，隨著時(shí)間的推移小于300MHz的低頻分量再感受到這個(gè)阻抗。 所以雖然TDR是時(shí)域測(cè)量阻抗的方法，但是其時(shí)域波形里面仍然包含著不同頻率分量所感受到的阻抗，上翹的背后其實(shí)是代表著不同頻率所感受到的阻抗。而且我們看到，走線越長，這種上翹越明顯。同時(shí)這種現(xiàn)象也讓我們體會(huì)到了時(shí)域與頻域是如何相互轉(zhuǎn)化的過程，即時(shí)間從0開始往后增加的過程，其實(shí)對(duì)應(yīng)的就是頻率從高頻往低頻下降的過程。

2、在理論上存在TDR阻抗往下的趨勢(shì)或者平坦的趨勢(shì)，但現(xiàn)實(shí)中基本看不到TDR往下飄的曲線，這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的導(dǎo)體損耗不可能忽略，因?yàn)椴豢赡艽嬖诶硐雽?dǎo)體。同時(shí)也不會(huì)存在理想介質(zhì)。但是我們可以通過對(duì)PCB工藝的控制，盡量去減小導(dǎo)體損耗，從而使得曲線更加趨于平坦或者說不要飄的那么厲害。?

編輯：黃飛