傳輸線特性阻抗

傳輸線特性阻抗

傳輸線的基本特性是特性阻抗和信號(hào)的傳輸延遲，在這里，我們主要討論特性阻抗。傳輸線是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長(zhǎng)度的電感L和單位長(zhǎng)度的電容C以及單位長(zhǎng)度上的電阻、電導(dǎo)來(lái)表示，它們主要由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù)，給定某一種傳輸線，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線的內(nèi)在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。
一個(gè)傳輸線的微分線段l可以用等效電路描述如下：

傳輸線的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微分線段的等效電路串聯(lián)而成，如下圖所示：

從傳輸線的等效電路可知，每一小段線的阻抗都是相等的。傳輸線的特性阻抗就是微分線段的特性阻抗。

傳輸線可等效為：

Z0 就是傳輸線的特性阻抗。
Z0描述了傳輸線的特性阻抗，但這是在無(wú)損耗條件下描述的，電阻上熱損耗和介質(zhì)損耗都被忽略了的，也就是直流電壓變化和漏電引起的電壓波形畸變都未考慮在內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用中，必須具體分析。
傳輸線分類(lèi)
當(dāng)今的快速切換速度或高速時(shí)鐘速率的 PCB 跡線必須被視為傳輸線。傳輸線可分為單端（非平衡式）傳輸線和差分（平衡式）傳輸線，而單端應(yīng)用較多。
單端傳輸線路
下圖為典型的單端（通常稱(chēng)為非平衡式）傳輸線電路。

單端傳輸線是連接兩個(gè)設(shè)備的最為常見(jiàn)的方法。在上圖中，一條導(dǎo)線連接了一個(gè)設(shè)備的源和另一個(gè)設(shè)備的負(fù)載， 參考（接地）層提供了信號(hào)回路。信號(hào)躍變時(shí)，電流回路中的電流也是變化的，它將產(chǎn)生地線回路的電壓降，構(gòu)成地線回路噪聲，這也成為系統(tǒng)中其他單端傳輸線接收器的噪聲源，從而降低系統(tǒng)噪聲容限。
這是一個(gè)非平衡線路的示例，信號(hào)線路和返回線路在幾何尺寸上不同
高頻情況下單端傳輸線的特性阻抗（也就是通常所說(shuō)的單端阻抗）為：

其中：L為單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感，C為單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電容。
單端傳輸線特性阻抗與傳輸線尺寸、介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)的關(guān)系如下：
?? 與跡線到參考平面的距離（介質(zhì)層厚度）成正比
?? 與跡線的線寬成反比
?? 與跡線的高度成反比
?? 與介電常數(shù)的平方根成反比
單端傳輸線特性阻抗的范圍通常情況下為 25Ω至120Ω，幾個(gè)較常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。
差分傳輸線路
下圖為典型的差分（通常稱(chēng)為平衡式）傳輸線電路。

差分傳輸線適用于對(duì)噪聲隔離和改善時(shí)鐘頻率要求較高的情況。在差分模式中，傳輸線路是成對(duì)布放的，兩條線路上傳輸?shù)男盘?hào)電壓、電流值相等，但相位（極性）相反。由于信號(hào)在一對(duì)跡線中進(jìn)行傳輸，在其中一條跡線上出現(xiàn)的任何電子噪聲與另一條跡線上出現(xiàn)的電子噪聲完全相同（并非反向），兩條線路之間生成的場(chǎng)將相互抵消，因此與單端非平衡式傳輸線相比，只產(chǎn)生極小的地線回路噪聲，并且減少了外部噪聲的問(wèn)題。
這是一個(gè)平衡線路的示例-- 信號(hào)線和回路線的幾何尺寸相同。平衡式傳輸線不會(huì)對(duì)其他線路產(chǎn)生噪聲，同時(shí)也不易受系統(tǒng)其他線路產(chǎn)生的噪聲的干擾。
差分模式傳輸線的特性阻抗（也就是通常所說(shuō)的差分阻抗）指的是差分傳輸線中兩條導(dǎo)線之間的阻抗， 它與差分傳輸線中每條導(dǎo)線對(duì)地的特性阻抗是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)為：
?? 間距很遠(yuǎn)的差分對(duì)信號(hào)，其特性阻抗是單個(gè)信號(hào)線對(duì)地特性阻抗的兩倍。
?? 間距較近的差分對(duì)信號(hào)，其特性阻抗比單個(gè)信號(hào)線對(duì)地特性阻抗的兩倍小。
?? 別的因素保持不變時(shí)，差分對(duì)信號(hào)之間的間距越小其特性阻抗越低（差分阻抗與差份線隊(duì)之間的間距成反比）。
差分傳輸線特性阻抗通常情況下為100Ω，有時(shí)也用到75Ω。
考慮到多層PCB板生產(chǎn)時(shí)PCB跡線可分布于表面或者內(nèi)層，這兩種情況下PCB跡線的參考平面有所不同，所以又可將PCB跡線分為微波傳輸帶（Microstripe）和帶狀線（Stripeline）傳輸線路。
微波傳輸帶傳輸線路是由一條安裝在可導(dǎo)接地層的低損耗絕緣體上的控制寬度的可導(dǎo)跡線構(gòu)成的。該絕緣體通常使用強(qiáng)化玻璃環(huán)氧樹(shù)脂制造，例如 G10、FR-4 或 PTFE，用于超高頻應(yīng)用。
帶狀線傳輸線路通常包括夾在兩個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)之間的導(dǎo)線跡線。傳輸線路和層構(gòu)成了控制阻抗。
帶狀線與微波傳輸帶的不同之處在于它嵌入到兩個(gè)參考層之間的絕緣材質(zhì)中，帶狀線阻抗參考兩個(gè)平面，阻抗跡線在內(nèi)層，而微波傳輸帶只有一個(gè)參考平面，阻抗跡線在PCB板的外層（表層）。
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定，這些因子將是跡線物理尺寸（例如跡線的寬度和厚度）和 PCB 底板材質(zhì)的絕緣常數(shù)和絕緣厚度的函數(shù)，因此也可以說(shuō)，PCB板跡線的阻抗值由信號(hào)跡線的物理尺寸（寬度和厚度）、線路板絕緣常數(shù)、絕緣介質(zhì)厚度、信號(hào)跡線與層的配置決定。