输电线路阻抗指南

2022年1月12日

这个专用集成电路上的信号可能起传输线的作用

传输线阻抗匹配是任何布局的关键部分。当你在布线时，有几个重要的点需要检查，以确保整个电路板的信号完整性。让我们来看看在终端时需要考虑哪些传输线阻抗。

关于传输线阻抗你需要知道的一切

在进入确定传输线阻抗的主题之前，您应该阅读本文，其中显示了用于描述PCB中真实传输线的不同阻抗。总结一下，我们在传输线中有一些重要的值，其中一些值有简单的公式，可以用来分析:

特性阻抗:这是隔离传输线的阻抗。换句话说，这是传输线阻抗时，它没有以任何方式耦合到任何其他附近的传输线，如在一个差分对。
差分阻抗:这是一对传输线的阻抗。在某些情况下，它只等于特征阻抗的两倍。一般来说，它是奇模阻抗的两倍，这是我们关心差分信号的值，因为它用于高速PCB设计。

PCB设计中使用的两种最常见的阻抗是特征阻抗和微分阻抗。根据基本电路理论，这些值的公式如下:

单端阻抗	奇模阻抗	差分阻抗

上面所示的方程是简化的，因为它们不包括传输线沿线的损耗，而这些损耗必须包括在实际的传输线中。下标“m”值是互值，这意味着它们是互电容和互感。这是一种寄生效应，是不可避免的，即使在最精心设计的电路板上也是如此。这种耦合为传输线产生偶数和奇数模式阻抗值，这取决于两条线路是如何驱动的。它还将影响用于终止的阻抗值(参见下一节)。

在设计具有特定传输线阻抗的互连时，我们更关心的是特性阻抗，但在高速布局和布线中，奇模阻抗通常更重要。大多数设计指南只讨论特性阻抗。在现实中，为了正确地布线和终止传输线，我们必须了解偶数和奇数模阻抗，以及在处理高速接口时的微分阻抗。

终端和阻抗匹配

这里有一些PCB社区不会告诉你关于传输线及其关键长度的事情——所有不运行在DC的互连都将表现为传输线。问题是传输线阻抗失配的影响在不同频率或不同信号上升时间是否明显。这就提出了一个问题，什么时候值得将传输线阻抗与负载匹配。但是，应该采用哪种传输线阻抗呢?

因此，设计人员为临界长度定义了各种值，在此长度以下不需要阻抗匹配。作为一般规则，如果您正在处理极薄的噪声裕度，那么您应该始终匹配驱动器、负载和源之间的阻抗，即使在电力较短的传输线中也是如此。对于高速信号和接口，还应该始终将传输线阻抗与负载匹配。正确的方法是查看传输线的输入阻抗，而不仅仅是特性阻抗。

这个所谓的临界长度实际上非常重要，不仅仅是决定何时将传输线与源和负载进行阻抗匹配。这是如何量化的。如果你计算长度为ℓ的传输线上的电压V和电流I，你会发现信号(模拟或数字)所看到的阻抗反映了不匹配的负载，这取决于传输线的长度及其电容和感应特性。这如下面的方程所示。

最后的方程定义了输入到线路的信号所看到的有损传输线输入阻抗

如果传播常数是已知的，则可确定任意频率的输入阻抗。然而，正如我们上面看到的，输入阻抗取决于线的长度，而不仅仅是阻抗。

长短线

作者，作为一个纯粹的数学主义者，是在所有情况下采用这种方法的支持者。首先，简单计算γ值和特征阻抗。接下来，把长度和γ代入上面所示的方程。你计算的阻抗值是信号看到的传输线阻抗，因为它反射了不匹配的负载并在线路上传播。

在超长传输线的极限下(例如当线长是波长的许多倍时)，tanh函数最终收敛于1。在这种情况下，输入阻抗就是传输线的特性阻抗:

相反，当传输线与波长相比非常小时(即在足够低的频率下)，传输信号看到的阻抗将降低到负载阻抗，因为tanh(0) = 0。请注意，这适用于有损耗和无损传输线:

输入阻抗短传输线

这解释了为什么我们有一个临界长度:当传输线足够短到tanh(γℓ)~ 0(或tan(γℓ)~ 0对于无损线)，那么输入信号只看到负载阻抗。源阻抗与负载阻抗应匹配以保证最大功率传输进入负载并防止信号反射。

无损输电线路的特殊情况

对于损耗足够低的传输线(即Re(γ) = 0)，上面的tanh(x)函数必须替换为jtan(x)函数，其中j是虚常数。在某些情况下，Im(γ)ℓ= mπ/2，其中m是一个整数。在这种情况下，你将在上面的方程中计算tan(mπ/2)。结果可简化为:

输入传输线阻抗方程的四分之一和一半波长倍数

这些是信号沿传输线反射回来时所看到的阻抗。如果源、负载和传输线都不匹配，那么沿着线路的长度会有重复的反射，这导致在数字信号或模拟信号驻波中看到的阶梯响应。

将传输线的特性阻抗与负载相匹配，可以防止负载端的反射，输入阻抗正好是负载端的反射特性阻抗．在这种情况下，在负载上没有反射，但是如果源不匹配，则没有沿线路进行最大功率传输。如果再进一步，将源匹配到特性阻抗，现在就可以确保最大功率传输。

模拟与数字传输线

我们应该在这里区分γ的值。在区分不同类型信号的传输效果时，可以将传输线(隔离的或耦合的)看作是带有某些滤波器的滤波器传递函数．当模拟信号以单一频率振荡时，γ只是复波数乘以有效介电常数(pi除以轨迹内波长的一半)加上沿直线的单位长度的衰减。然而，你可能记得从色散的讨论，介电常数和特性阻抗取决于频率。

这会以不同的方式影响信号。对于模拟和数字传输线，我们需要对传输线进行以下分析:

模拟信号:一般来说，我们只关心一个特定的频率。对于调制信号，我们通常只设计到载波频率。
数字信号:对于数字信号，我们必须设计使特征阻抗(或微分阻抗)和终端确定在一个非常高的限制频率。感兴趣的有限频率通常是接收机的奈奎斯特频率或由上升时间确定的某个极限。

对于调频模拟信号，只要相关频率范围足够高，传输线的特性阻抗在信号的整个频谱中具有恒定的值。在较低频率和调幅信号中，情况可能不是这样，其他相关阻抗值将取决于频率和驱动模式，也就是说，它们将有一些相关的频谱。

带有调制信号的传输线阻抗只与载波频率有关

对于数字信号，必须记住源阻抗和负载阻抗在所有频率上都不一致。传输线阻抗匹配要考虑的相关带宽是从脉冲重复率延伸到某个非常高的频率的范围。对于高速接收机，这通常是奈奎斯特频率。如果你担心对数字信号进行过采样或测量，那么你至少需要使用0.5/(上升时间)。只要组件的带宽在这个频率范围内是平坦的，那么您就可以考虑为您的PCB路由设计规则和传输线阻抗匹配的单个值。

铃声提示

如果传输线上由于信号反射而有一些振铃，那么它将是相对于信号在上升时间内传播的长度的轨迹长度的函数。对于缓慢上升的信号，在信号上升到完全强度之前，信号到达传输线的末端，即使有完美的传输线阻抗匹配，信号仍然会产生环响。然而，与噪声裕度相比，只要传输线的阻抗谱平坦到信号的带宽限制，振铃的强度就可能小到不明显。这是由约翰逊博士．这就是为什么一些设计人员鼓励使用尽可能短的路径长度的原因之一。

本质上，振铃幅度取决于线路两端的电压差。如果信号上升得更快，导线上的电压差就会更大，导致在给定的线长下产生更大的振铃幅度。为了补偿振铃，您需要将传输线的谐振频率移到远高于膝盖频率，同时确保阻抗匹配以消除反射，或者您需要使用串联电阻严重抑制响应。

如果有疑问，请检查数据表

许多组件是根据特定的信令标准设计的，并具有指定的输入和输出阻抗值。这些组件被设计成具有特定的传输线阻抗，其中阻抗通常根据特性指定——偶数或通用(用于并行数据传输，用于旧标准)或微分阻抗(用于旧标准)高速微分标准)。这些信令标准还将指定用于不同应用程序的线路长度，以及如何终止使用不同标准(或根本没有标准)的组件，以确保兼容性。