传输线的特性阻抗分析

红灯记

传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟，在这里，我们主要讨论特性阻抗。传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。

一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如下：

传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成，如下图所示：


从传输线的等效电路可知，每一小段线的阻抗都是相等的。传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。



Z0 就是传输线的特性阻抗。

Z0描述了传输线的特性阻抗，但这是在无损耗条件下描述的，电阻上热损耗和介质损耗都被忽略了的，也就是直流电压变化和漏电引起的电压波形畸变都未考虑在内。实际应用中，必须具体分析。

传输线分类
当今的快速切换速度或高速时钟速率的 PCB 迹线必须被视为传输线。传输线可分为单端（非平衡式）传输线和差分（平衡式）传输线，而单端应用较多。

单端传输线路
下图为典型的单端（通常称为非平衡式）传输线电路。

单端传输线是连接两个设备的最为常见的方法。在上图中，一条导线连接了一个设备的源和另一个设备的负载， 参考（接地）层提供了信号回路。信号跃变时，电流回路中的电流也是变化的，它将产生地线回路的电压降，构成地线回路噪声，这也成为系统中其他单端传输线接收器的噪声源，从而降低系统噪声容限。

这是一个非平衡线路的示例，信号线路和返回线路在几何尺寸上不同

高频情况下单端传输线的特性阻抗（也就是通常所说的单端阻抗）为：
其中：L为单位长度传输线的固有电感，C为单位长度传输线的固有电容。

单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下：

与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比
与迹线的线宽成反比
与迹线的高度成反比
与介电常数的平方根成反比

单端传输线特性阻抗的范围通常情况下为 25Ω至120Ω，几个较常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。

差分传输线路
下图为典型的差分（通常称为平衡式）传输线电路。

差分传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频率要求较高的情况。在差分模式中，传输线路是成对布放的，两条线路上传输的信号电压、电流值相等，但相位（极性）相反。由于信号在一对迹线中进行传输，在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另一条迹线上出现的电子噪声完全相同（并非反向），两条线路之间生成的场将相互抵消，因此与单端非平衡式传输线相比，只产生极小的地线回路噪声，并且减少了外部噪声的问题。

这是一个平衡线路的示例-- 信号线和回路线的几何尺寸相同。平衡式传输线不会对其他线路产生噪声，同时也不易受系统其他线路产生的噪声的干扰。

差分模式传输线的特性阻抗（也就是通常所说的差分阻抗）指的是差分传输线中两条导线之间的阻抗， 它与差分传输线中每条导线对地的特性阻抗是有区别的，主要表现为：
间距很远的差分对信号，其特性阻抗是单个信号线对地特性阻抗的两倍。
间距较近的差分对信号，其特性阻抗比单个信号线对地特性阻抗的两倍小。
别的因素保持不变时，差分对信号之间的间距越小其特性阻抗越低（差分阻抗与差份线队之间的间距成反比）。

差分传输线特性阻抗通常情况下为100Ω，有时也用到75Ω。

考虑到多层PCB板生产时PCB迹线可分布于表面或者内层，这两种情况下PCB迹线的参考平面有所不同，所以又可将PCB迹线分为微波传输带（Microstripe）和带状线（Stripeline）传输线路。

微波传输带传输线路是由一条安装在可导接地层的低损耗绝缘体上的控制宽度的可导迹线构成的。该绝缘体通常使用强化玻璃环氧树脂制造，例如 G10、FR-4 或 PTFE，用于超高频应用。

带状线传输线路通常包括夹在两个参考层和绝缘材质之间的导线迹线。传输线路和层构成了控制阻抗。

带状线与微波传输带的不同之处在于它嵌入到两个参考层之间的绝缘材质中，带状线阻抗参考两个平面，阻抗迹线在内层，而微波传输带只有一个参考平面，阻抗迹线在PCB板的外层（表层）。

PCB 迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定，这些因子将是迹线物理尺寸（例如迹线的宽度和厚度）和 PCB 底板材质的绝缘常数和绝缘厚度的函数，因此也可以说，PCB板迹线的阻抗值由信号迹线的物理尺寸（宽度和厚度）、线路板绝缘常数、绝缘介质厚度、信号迹线与层的配置决定。

关注电子工程专辑请搜微信号:“eet-china”