传输线阻抗指南

2022年1月12日

这个ASIC上的信号可能就像传输线一样

传输线阻抗匹配是任何布局的关键部分。当您在路由跟踪时，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。让我们看看你需要考虑哪个传输线阻抗的终端。

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话题之前，你应该读这篇文章，它显示了用于描述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，如在微分对。
差分阻抗:这是一对传输线的阻抗。在某些情况下，它只等于特性阻抗的两倍。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，因为它在高速PCB设计中使用。

在PCB设计中使用的两个最常见的阻抗是特性阻抗和微分阻抗。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，因为它们不包括沿着传输线的损耗，而这必须包括在真正的传输线中。下标“m”值是互值，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。这种耦合产生传输线的偶和奇模式阻抗值，取决于这两条线是如何驱动的。它还将影响您使用的终止阻抗值(参见下一节)。

当设计一个具有特定传输线阻抗的互连时，我们更关心的是特性阻抗，但在高速布局和路由中，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式阻抗，以及处理高速接口时的微分阻抗。

终端和阻抗匹配

关于传输线和它们的临界长度，PCB社区不会告诉你一些事情——所有不运行在直流电压下的互连都将表现为传输线。问题是在不同的频率或不同的信号上升时间下，传输线阻抗失配的影响是否明显。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，应该使用哪种传输线阻抗?

因此，设计者为一个临界长度定义了不同的值，低于这个值就不需要进行阻抗匹配。作为一般规则，如果您正在处理非常薄的噪声裕度，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，还应始终使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，你会发现由不匹配负载反射的信号(模拟或数字)所看到的阻抗取决于传输线的长度及其容性和电感特性。这如下面的等式所示。

最后一个方程定义了输入到线路的信号所看到的有损耗传输线输入阻抗

如果传播常数是已知的，则可确定任何频率下的输入阻抗。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。

长或短的队伍

作为一个数学纯粹主义者，作者支持在所有情况下都采用这种方法。首先，简单计算γ值和特征阻抗。接下来，把长度和γ代入上面的方程。你计算的阻抗值是传输线阻抗，当信号反射不匹配的负载并在线路上传播时看到。

在一个非常长的传输线的极限(例如当线的长度是波长的许多倍)，那么tanh函数最终收敛到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(即在足够低的频率下)相比非常小时，由于tanh(0) = 0，传播信号看到的阻抗将降低到负载阻抗。注意，这适用于有损和无损传输线:

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对于无损线路)，那么输入信号只看到负载阻抗。源阻抗和负载阻抗应匹配，以确保最大功率传输进入负载并防止信号反射。

无损传输线的特殊情况

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

四分之一和半波长倍数的输入传输线阻抗方程

这些是信号沿着传输线反射回来时看到的阻抗。如果源、负载和传输线都不匹配，那么沿着线路的长度就会有重复的反射，这就会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，可以防止负载端发生反射，输入阻抗正好是特性阻抗．在这种情况下，在负载处没有反射，但如果电源不匹配，则不能获得最大功率传输。如果更进一步，将源与特征阻抗匹配，就可以确保最大的功率传输。

模拟和数字传输线

我们应该在这里对γ的值做一个区分。在区分传输对不同类型信号的影响时，可以把传输线(隔离的或耦合的)看作是带有一些的滤波器传递函数．当模拟信号以单频振荡时，γ就是复波数乘以有效介电常数(除以迹内波长的一半)加上沿直线单位长度的衰减。然而，从色散的讨论中，你可能记得介电常数和特性阻抗取决于频率。

这以不同的方式影响信号。对于模拟和数字传输线，我们需要从以下几个方面来分析传输线:

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极限频率。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值。在较低频率和调幅信号下，可能不是这样，其他相关的阻抗值将取决于频率和驱动模式，即，它们将有一些相关的频谱。

带调制信号的传输线阻抗只与载频有关

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是不一致的。传输线阻抗匹配要考虑的相关带宽是从脉冲重复率到某个非常高的频率的范围。对于高速接收器，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，那么您可以为您的PCB路由设计规则和传输线阻抗匹配考虑一个单一值。

关于铃声的说明

如果由于信号反射而在传输线上有一些振铃，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，信号已经到达传输线的末端，即使有完美的传输线阻抗匹配，信号仍然会响。然而，只要传输线的阻抗谱持平于信号的带宽限制，与噪声裕度相比，振铃的强度可能很小，以至于不容易被注意到。这是由霍华德·约翰逊博士．这就是为什么有些设计人员鼓励使用最短长度的路由跟踪的原因之一。

实质上，振铃振幅取决于线路两端的电压差。如果信号上升得更快，导线两端的电压差就会更大，对于给定的线路长度，就会产生更大的振铃振幅。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对响应进行严格的阻尼。

如有疑问，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。这些组件的设计是为了使用特定的传输线阻抗，其中阻抗通常是根据特性指定的——偶数或公共(用于并行数据传输，对于较老的标准)或微分阻抗(用于高速微分标准)。这些信号标准还将指定用于不同应用程序的线路长度，以及使用不同标准(或根本没有标准)的组件应如何终止，以确保兼容性。