标签: 特性阻抗

阻抗的均匀稳定，对信号的传输至关重要，所以，本文聊一聊阻抗。 瞬态阻抗 当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关，可表示为： ​ ​ 这个公式的推导过程如 而电流的推导可以由以下式子求得： 如果 PCB 上线条的厚度和宽度不变，并且走线和返回平面间距离不变，那么信号感受到的瞬态阻抗就不变，传输线是均匀的。对于均匀传输线，恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性，称为特性阻抗 2. 特性阻抗 对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时，我们将其称为特性阻抗。 传输线的特性阻抗Z0定义为线上任意点的电压和电流的比值，即Z0=V/I. 由电报方程可以推导出阻抗的经典计算公式： 如果 PCB 上线条的厚度增大或者宽度增加，单位长度电容增加，特性阻抗就变小。同样，走线和返回平面间距离减小，电容增大，特性阻抗也减小。 其中，R、L、G、C分别表示单位长度的电阻、电感、电导和电容。通常，因为R和G都比其他项要小得多而忽略不计，特征阻抗近似为 重要推导之一： 50 欧姆阻抗的计算由来 由特性阻抗的公式，可以看出只要传输线的横截面和材料特性这两个参数保持不变，信号受到的瞬态阻抗就是一个常数。由于信号的的速度取决于材料特性，所以，可以得出传输线单位长度电容和瞬态阻抗的关系。例如，若介电常数为 4 ，单位长度电容为 3.3pf/in ，则传输线的瞬态阻抗为， 重要推导之二：自由空间的特性阻抗 一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗，也叫自由空间的波阻抗，在 EMC 中非常重要。自由空间特性阻抗为   。 重要推导之三：单位长度电容与单位长度电感 FR4 板材的 PCB 板上，   特性阻抗传输线另一个特性是： 单位长度电容 =3.3pF/in 单位长度电感 =8.3nH/i 解这些特殊的特性阻抗，对于设计电路板有重要的参考意义，能让我们在制作电路前有个直觉的认识。

传输线及其分布电容、分布电感及特性阻抗是影响高速信号传输质量的重要因素，高速互联电路中的很多现象如：阻抗不连续、反射、串扰、地弹等都与这些因素相关。只有掌握了相关的传输线及其分布电容、分布电感及特性阻抗的知识点，才能使我们今后在面对高速PCB设计时，避免出现信号完整性问题。   PCB的组成成分-铜 导线 PCB通常由两个导电层（通常为铜箔）及夹在中间的介电层（常用的如环氧树脂玻璃纤维板材）压合而成。然后导电层通过 蚀刻 ，最终形成了PCB上的互联 导线 ，PCB上的导线起到连接各个信号节点的作用。 我们知道，两个互相平行、以空间或介电质隔离的两片薄板导体便构成了电容。无论该导体呈什么形状，都会存在电容，导体的形状只会影响电容的大小，而不会使得电容消失。 http://www.mr-wu.cn 对于PCB上的走线，由于空间结构较长，走线导体的每一部分都会与其周围的导体之间形成电容，分布在走线的整个长度区间内，称之为分布电容。 当信号沿着PCB传输时，每传输一个单位长度都会感受到电容的存在。在高频的情况下，导体之间的分布电容将直接影响电路的行为。高速互联电路中的很多现象如：阻抗不连续、反射、串扰等都与分布电容有关。 电感是信号完整性分析的另一个非常重要的参考量，很多信号完整性问题都与电感有关，如：阻抗不连续、反射、串扰、地弹噪声等都与电感有关。对于PCB上的走线，和分布电容一样，走线的每个单位长度都存在自感，并且与周围的 导体 之间也存在互感的现象，电感分布在走线的整个长度区间内，电感是分布式的。 对于高速数字电路而言， 导线 其自身的电阻对信号传输的影响是可以忽略不记得，因为高速信号传输流过的几个毫安的 电流 不会引起太大的信号完整性问题。但是导线的特性阻抗（Z）却是至关重要的一个因素。   理想 传输线   如果传输线是均匀的，信号无论走到传输线的什么位置，其所受到的阻抗都是相同的，那么用一个阻抗值就可以表示整个传输线的阻抗特性，这个阻抗值便称为传输线的特性阻抗。 对于信号的传输路径和返回路径的分析，需要分析传输线的分布电容和分布电感，以及传输线之间填充介质的介电常数。当信号在传输线上传播时，传输线对走线上信号的影响主要是传输线的分布电容、分布电感及介质对传输的电磁波的影响。当信号在传输线上传播时，每个时刻传输线上的点都有对应的 电压 分布及 电流 分布，电压与电流的比值就表示这个位置信号所受到的阻抗，这个参数是用来评测传输线对信号传输影响大小的一个至关重要的因素。特性阻抗对信号的完整性而言非常重要。在高速信号传输的过程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相不匹配，则会发生信号反射等不良影响。 http://www.mr-wu.cn 因此，对于高速PCB设计而言，我们的目标是是的信号在传输过程中尽量保持阻抗稳定，因此首先必须保持传输线特性阻抗的稳定，所以我们做PCB时，需要要求板厂对PCB进行阻抗控制，但是由于各种因素的影响，会导致实际生产出来的传输线不可能是严格均匀的（如走线 蚀刻 造成的边缘粗糙而使得线宽有微小的变化），因而沿传输线各个点的瞬态阻抗是变化的，但是只要这种阻抗波动很小（比如要求阻抗控制在50欧 ±10%这个水平），我们依然可以用特性阻抗近似地表示传输线的整体特性。 分布 电容 、分布 电感 及其特性阻抗的计算可用通过 PCB参数计算神器-Saturn PCB Design Toolkit下载及安装指南 这个工具很方便的算出。   Saturn PCB Design Toolkit-计算特性 阻抗 参数 原创文章，转载请注明：  转载自 吴川斌的博客 http://www.mr-wu.cn/ 本文链接地址:  传输线及其分布电容、分布电感、特性阻抗的关系及如何计算—高速PCB设计必知必会基本知识点http://www.mr-wu.cn/ pcb -trace-inductance-capacitance-and-characteristic-impedance-high-speed-pcb-layout-techniques/

当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关，可表示为： 。 如果PCB上线条的厚度和宽度不变，并且走线和返回平面间距离不变，那么信号感受到的瞬态阻抗就不变，传输线是均匀的。对于均匀传输线，恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性，称为特性阻抗。 如果PCB上线条的厚度增大或者宽度增加，单位长度电容增加，特性阻抗就变小。同样，走线和返回平面间距离减小，电容增大，特性阻抗也减小。 一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗，也叫自由空间的波阻抗，在EMC中非常重要。自由空间特性阻抗为   对于常见的FR4板材的PCB板上， 特性阻抗的典型结构如图所示。对于微带线，线宽W是介质厚度h的2倍。对于带状线，线条两侧介质总厚度b是线宽W的两倍。       FR4板材的PCB板上， 特性阻抗传输线另一个特性是： 单位长度电容=3.3pF/in 单位长度电容=8.3nH/in       了解这些特殊的特性阻抗，对于设计电路板有一定的参考意义，能让我们在制作电路前有个直觉的认识。 精确地特性阻抗计算需要用场求解器。推荐用Polar Instruments的SI9000软件，大名鼎鼎，绝对精品。下载地址为：http://www.sig007.com/rjxz/115.html     于博士讲信号完整性系列 信号完整性(一)：PCB走线中途容性负载反射 信号完整性(二)：接收端容性负载的反射 信号完整性(三)：PCB走线宽度变化产生的反射 信号完整性(四)：信号振铃是怎么产生的 信号完整性(五)：信号反射 信号完整性（六）：多长的走线才是传输线

    难得半日清闲，留一篇随笔，与各位网友共享。     当我们提到特性阻抗的时候，通常很少考虑它与频率的关系。其原因在于，特性阻抗是传输线的一个相当稳定的属性，主要和传输线的结构也就是横截面的形状有关。从工程的角度来说，把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。说实话，搞了这么长时间的SI设计，还没碰到需要考虑特性阻抗变化的情况。     既然有网友一定要考虑这个问题，今天我们就稍稍深入一下，看看特性阻抗的真实面目。虽然没有太大的工程应用价值，但是对于理解问题还是有好处的。 特性阻抗是从理论上分析传输线时经常提到的一个量，从传输线的角度来说，它可以用下面的公式表示             --------------- Z0 =   /    L          /   ------      ^/      C L表示传输线的单位长度电感，C为单位长度电容。乍一看，似乎公式中没有任何变化的量。但是特性阻抗真的是个恒定的量吗？我们使用Polar软件对横截面固定的传输线进行扫频计算，频率范围定在100MHz~10GHz，来看看场求解器给出的结果，如下图：     你可能感到惊讶，特性阻抗随着频率的升高变小了，why？阻抗公式中那个量发生了变化？     其实这涉及到电磁学方面的一个深层次的问题。罪魁祸首是电感！！电感问题是个很复杂的问题，对电感的理论计算很繁琐，有兴趣的网友可以找资料看看电感的计算，详细的推导过程我就不在这里写了。简单的说，导线的电感由两部分组成：导线的内部电感和导线的外部电感。当频率升高时，导线的内部电感减小，外部电感不变，总电感减小，因而导致了特性阻抗减小。 我们知道，电感的定义是指围绕在电流周围的磁力线匝数。电感随频率减小，直觉告诉我们一定是导线中电流分布发生了变化。到这里我想各位网友应该豁然开朗了。趋肤效应（skin effect）你一定不会陌生。看看下面的这张图你会有更直观的感受，这是用二维场求解器仿真出来的高频时导体中电流的分布。黄色部分是电流所在位置。'     当频率升高时，电流向导线表面集中，在导线内部电流密度减小，当然电感减小。电感的本质，是围绕在电流周围的磁力线匝数，注意“围绕在电流周围”这个说法。假设存在极端情况，导线内部电流完全消失，所有的电流集中在导体表面，磁力线当然没法再内部去环绕电流，内部电感消失。导线总电感减小，减小的那一部分就是导线的内部电感。当然这种说法不严谨，不过对直观的理解问题非常有帮助。 结论： 1、传输线的特性阻抗确实和频率有关，随着频率升高，特性阻抗减小，但会逐渐趋于稳定。 2、特性阻抗的变化的原因是导线的单位长度电感随频率升高而减小。 3、这种特性阻抗的变化很小，在工程应用中一般不用考虑它的影响。知道有这个事就是了。

刚才偶然看了本刊的两篇有关磁珠的专家博文，这两篇博文都是讲磁珠的。其中一篇是讲磁珠与电感的区别，另一篇讲磁珠其实就是一电阻特性。其实这样的说法都是不准确的。 磁珠（Ferrite bead）的等效电路是一个DCR电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。DCR是一个恒定值，但后面三个元件都是频率的函数，也就是说它们的感抗，容抗和阻抗会随着频率的变化而变化，当然它们阻值，感值和容值都非常小。   从等效电路中可以看到，当频率低于fL（LC谐振频率）时，磁珠呈现电感特性；当频率等于fL时，磁珠是一个纯电阻，此时磁珠的阻抗（impedance）最大；当频率高于谐振频率点fL时，磁珠则呈现电容特性。 EMI选用磁珠的原则就是磁珠的阻抗在EMI噪声频率处最大。比如如果EMI噪声的最大值在200MHz,那你选择的时候就要看磁珠的特性曲线，其阻抗的最大值应该在200MHz左右。 下图是一个磁珠的实际的特性曲线图。大家可以看到这个磁珠的峰值点出现在1GHz左右，在峰点时，阻抗（Z）曲线的值与电阻（R）的相等。也就是说这个磁珠在1GHz时，是个纯电阻，而且阻抗值最大。   Z: impedance   R: R( f)   X1: L\\C   （如需转载，请注明出处）