特性阻抗和控制阻抗

对于一条均匀的线，无论我们选择看哪里，我们都会看到沿线传播时相同的瞬时阻抗。有一个表征传输线的瞬时阻抗，我们给它起了一个特殊的名字：特性阻抗。

有一个瞬时阻抗是均匀传输线的特征。我们将这种恒定的瞬时阻抗称为线路的特性阻抗，或线路的特性阻抗。

为了区分我们指的是线路的特性阻抗的特殊情况，这是线路的固有属性，我们给它一个特殊的符号 Z0（下标为零的 Z）。特征阻抗以欧姆为单位给出。每条统一的传输线都有一个特征阻抗，这是描述其电气特性以及信号如何与其相互作用的最重要术语之一。

线路的特性阻抗将告诉我们信号沿线路传播时的瞬时阻抗。正如我们将看到的，这是影响传输线电路中信号完整性的主要因素。

特性阻抗在数值上等于线路的瞬时阻抗并且是线路固有的。它仅取决于介电常数和每单位长度线路的电容。它不依赖于线的长度。对于均匀线，特性阻抗为：

如果线路是均匀的，它只有一个瞬时阻抗，我们称之为特性阻抗。线路均匀性的一种衡量标准是瞬时阻抗在长度方向上的恒定程度。如果线宽沿线方向变化，则整条线没有单一的瞬时阻抗值。根据定义，非均匀线没有特性阻抗。当横截面均匀时，信号在互连中传播时所看到的阻抗将是恒定的，我们说阻抗是受控的。因此，我们称均匀截面传输线为可控阻抗线。

我们将沿其长度方向具有恒定瞬时阻抗的传输线称为受控阻抗线。将所有互连都作为受控阻抗线制造的电路板，都具有相同的特性阻抗，称为受控阻抗电路板。所有高速数字产品，电路板大于约 6 英寸且时钟频率大于 100 MHz，均采用受控阻抗电路板构建。

当沿线的几何形状和材料属性恒定时，线路的瞬时阻抗是均匀的，一个数字就完全表征了线路的阻抗。

可以制造具有几乎任何均匀横截面的受控阻抗线。有许多可以控制阻抗的标准横截面形状，其中许多形状系列都有特殊名称。例如，将两根圆线绞在一起称为双绞线。被外导体包围的中心导体是同轴或同轴传输线。宽平面上的一条窄信号线是微带线。当返回路径是两个平面并且信号线是它们之间的窄带时，我们称之为带状线。受控阻抗互连的唯一要求是横截面保持不变。

有了单位长度电容和特征阻抗之间的这种联系，我们现在可以将我们对电容的直觉与我们对特征阻抗的新直觉联系起来：增加一个会减少另一个。对于传输线中的两个导体，我们通常对电容和单位长度的电容有很好的直观感觉。如果我们使两个导体更宽，我们就会增加单位长度的电容。这将降低特性阻抗。如果我们将它们移得更远，我们会降低单位长度的电容并提高特性阻抗。

对于使用FR4介质的微带线，当线宽是介质厚度的两倍时，特性阻抗约为50欧姆。当我们使电介质间隔变大时，特征阻抗会发生什么变化？一开始并不明显。然而，我们现在知道，传输线的特性阻抗与导体之间单位长度的电容成反比。(所以说对于叠层来说，如果第一层和第二层之间的ＰＰ越厚，单位长度的电容越小，传输线的特性阻抗就会变大，如果需要控制阻抗不增加，就需要将线变宽，增加单位长度的电容，降低特性阻抗）

因此，如果我们将导体移得更远，电容会减小，特性阻抗会增加。使微带信号走线更宽会增加单位长度的电容并降低特性阻抗。如图 7-10 所示。

一般来说，具有薄电介质的宽导体将具有低特性阻抗。例如，由 PCB 中的电源和地平面形成的传输线的『特性阻抗』将具有『低特性阻抗，一般小于 1 欧姆。具有厚电介质的窄导体将具有高特性阻抗。具有窄线的信号走线将具有高特性阻抗，通常在 60 欧姆和 90 欧姆之间。

常见的特性阻抗

多年来，已经为专门的受控阻抗互连建立了各种规范。图 7-11 中列出了其中的一些。最常见的一种是 RG58。实际上，实验室中使用的所有通用同轴电缆，带有卡口式 BNC 连接器，都是用 RG58 电缆制成的。该规范定义了内导体和外导体直径以及介电常数。此外，当遵循规范时，特性阻抗约为 52 欧姆。查看电缆的侧面，您会看到印有“RG58”字样。

还有其他电缆规格。了解 RG174 很有用。它比 RG58 更细，更灵活。当试图在狭小空间内缠绕电缆或需要低应力时，RG174 的灵活性非常有用。它的指定特性阻抗为 50 欧姆。有线电视系统中使用的同轴电缆指定为 75 欧姆。这种电缆的单位长度电容低于 50 欧姆电缆，并且通常比同类 50 欧姆电缆更粗。例如，RG59 比 RG58 厚。

双绞线通常用于高速串行链路、小型计算机系统接口 (SCSI) 应用程序和电信应用程序，由 18 至 26 号线制成。对于常用的典型绝缘厚度，特性阻抗约为 100 欧姆至 130 欧姆。这通常比电路板中使用的阻抗更高，但它与典型电路板迹线的差分阻抗相匹配。

有一种特性阻抗具有特殊的基本意义：自由空间。如前所述，在传输线中传播的信号实际上很轻，电场和磁场由信号和返回路径导体捕获和引导。作为传播场，它在复合电介质中以光速传播。如果没有导体来引导场，光将以波的形式在自由空间中传播。这些是电场和磁场的波。当波在空间中传播时，电场和磁场会出现阻抗。波的阻抗与两个基本常数有关——自由空间的磁导率和自由空间的介电常数：

这两个常数的组合是传播波将看到的瞬时阻抗。我们称之为自由空间的特性阻抗，大约为 377 欧姆。这是一个基本数字。当天线的阻抗与自由空间的 377 欧姆匹配时，天线的辐射能量得到优化。只有一个特性阻抗值具有根本意义，它是 377 欧姆。所有其他阻抗都是任意的。互连的特性阻抗几乎可以是任何值，受可制造性约束的限制。

但是 50 欧姆呢？为什么它如此常用？ 50 欧姆有什么特别之处？它的使用在 20 世纪 30 年代初期开始流行，当时无线电通信和雷达系统变得很重要，并推动了使用高性能传输线的首要要求。应用是将无线电信号从效率不是很高的发电机传输到无线电天线，衰减最小。正如我们在第 9 章“损耗线、上升时间退化和材料特性”中所示，同轴电缆的衰减与内导体和外导体的串联电阻除以特征阻抗有关。如果电缆的外径是固定的，则尽可能使用最大直径的电缆，则存在可使衰减最小的最佳内径。

内径太大，电阻变小，但特性阻抗也变小，衰减变大。内导体直径太小，电阻和衰减都很大。当您探索内半径的最佳值时，您会发现最低衰减值也是产生 50 欧姆的值。大约 100 年前选择 50 欧姆的原因是为了最大限度地减少固定外径同轴电缆的衰减。它被用作提高无线电和雷达系统效率的标准，并且易于制造。一旦采用，使用该阻抗值的系统越多，它们的兼容性就越好。如果所有测试和测量系统都匹配这个标准的 50 欧姆，那么仪器之间的反射就会最小化，信号质量就会得到优化。

在 FR4 中，如果线路宽度是电介质厚度的两倍，则可以轻松制造 50 欧姆的微带线。还可以制造大约 50 欧姆的各种特性阻抗，因此它是印刷电路板技术中的软优化。

在高速数字系统中，许多权衡决定了整个系统的最佳特性阻抗。其中一些如下图 所示。一个好的起点是 50 欧姆。在相同的间距下使用更高的特性阻抗意味着更多的串扰；然而，更高特性阻抗的连接器或双绞线电缆成本更低，因为它们更容易制造。较低的特性阻抗意味着较低的串扰和较低的对由连接器、组件和过孔引起的延迟加法器的敏感度，但这也意味着端接时的功耗较高。这在高速系统中很重要。

每个系统都有自己的最佳特性阻抗平衡。通常，这是一个非常柔和的优化，只要在整个系统中使用相同的阻抗，选择的确切值并不重要。除非有强大的驱动力，否则通常使用 50 欧姆。对于 Rambus 内存，时序至关重要，因此选择了 28 欧姆的低阻抗以最大限度地减少延迟加法器的影响。制造如此低的阻抗需要宽线。但由于 Rambus 模块中的互连密度较低，较宽的线路影响很小。

传输线的阻抗

当连接到传输线的前端时，电池的阻抗是多少？一旦电池连接到传输线，电压信号就会看到传输线的瞬时阻抗，信号开始沿着传输线传播。只要信号继续传播，输入阻抗总是看起来像瞬时阻抗，这就是特性阻抗。

因此，电池在观察线路时看到的阻抗与线路的瞬时阻抗相同——只要信号沿着线路传播。它看起来像一个电阻器，流入线路的电流与施加的电压成正比。对于施加的恒定电压，具有恒定电流通过它的电路元件是理想电阻器。从电池的角度来看，当端子连接到线路的前端并且信号沿着线路传播时，传输线会消耗恒定电流，对电池起到电阻的作用。

传输线的阻抗，正如电池所见，是一个恒定的电阻，只要信号沿着线路传播。电池无法通过测试来区分传输线和电阻器，至少当信号在传输线上传播时是这样。

我们已经介绍了互连特性阻抗的概念。我们经常互换使用术语特征阻抗和线路阻抗。但它们并不总是相同的，强调这种区别很重要。

电缆的阻抗是什么意思？ RG58 电缆通常称为 50 欧姆电缆。这到底是什么意思？假设我们要采用 3 英尺长的 RG58 电缆并测量信号路径和返回路径之间前端的阻抗。我们要测量什么阻抗？当然，我们可以用欧姆表来测量阻抗。如果我们在 3 英尺传输线的前端，中心信号线和外屏蔽层之间连接一个欧姆表，如图 7-13 所示，它会显示什么？是开路、短路还是 50 欧姆？

让我们更具体一点。假设我们要使用带有每秒更新的液晶显示器 (LCD) 的数字万用表 (DMM) 来测量阻抗。将测量什么阻抗？当然，如果我们等待的时间足够长，那么短的电缆看起来就像开路了，我们将测量无限大的输入阻抗。那么，如果这条短电缆的输入阻抗是无穷大，那么有一根 50 欧姆的电缆意味着什么呢？特征阻抗属性从何而来？

要进一步探讨这一点，请考虑使用更极端、非常长的RG58电缆。事实上，这条线很长，从地球一直延伸到月球。这大约有240000英里长。我们可能还记得高中时，真空中的光速约为每秒186000英里，或者RG58电缆的电介质中的光速接近每秒130000英里。从电缆的一端到另一端需要大约2秒的时间，而从电缆的另一端返回需要大约2秒钟的时间。如果我们将数字万用表连接到这条长线路的前端，它会看到什么阻抗？记住，数字式万用表通过将1伏电源连接到被测设备并测量施加电压与电流消耗的比率来查找电阻。

这正是驱动传输线的情况，前提是我们在少于 4 秒的往返飞行时间内进行阻抗测量。在前 4 秒内，当信号传播到互连末端并返回时，流入线路前端的电流将是恒定的，等于信号为电缆的连续部分充电所需的电流因为它向外传播。

信号源从线路前端看到的阻抗，即“输入”阻抗，将与信号看到的瞬时阻抗相同，即线路的特性阻抗。事实上，直到往返飞行时间或 4 秒后，源才会知道传输线的末端。在测量的前 4 秒内，欧姆表应读取线路的特性阻抗，在本例中为 50 欧姆。

只要测量时间小于往返飞行时间，欧姆表测量的线路输入阻抗就是线路的特性阻抗。

但是我们知道，如果我们在连接欧姆表的情况下等待一天，我们最终会测量到电缆的输入阻抗为开路。这里有两个极端：最初，我们测量 50 欧姆，但很长一段时间后，我们测量开路。那么，线路的输入阻抗是多少？

答案是没有一个值。它取决于时间；它改变。这个例子说明了传输线的输入阻抗是时间相关的；这取决于与往返飞行时间相比，我们进行测量的时间。

如下图所示，在往返飞行时间内，从传输线前端看过去的阻抗就是线路的特性阻抗。在往返飞行时间之后，输入阻抗可以是无穷大到零之间的任何值，具体取决于传输线的远端。

当我们将电缆或线路的阻抗称为 50 欧姆时，我们实际上是在说信号沿线路传播的​​瞬时阻抗为 50 欧姆。或者，线路的特性阻抗为 50 欧姆。或者，最初，如果我们寻找一个比往返飞行时间短的时间，我们将看到 50 欧姆作为互连的输入阻抗。尽管这些词听起来很相似，但互连的阻抗、输入阻抗、瞬时阻抗和特性阻抗之间存在重要区别。仅仅说“阻抗”是模棱两可的。

互连的输入阻抗是驱动程序将信号发射到互连前端时看到的阻抗。这取决于时间。它可以是开路，可以是短路，也可以是介于两者之间的任何位置，都针对同一条传输线，具体取决于远端的端接方式、传输线的长度以及我们观察的长度。

传输线的瞬时阻抗是信号沿着线路传播时所看到的阻抗。如果横截面是均匀的，瞬时阻抗将沿线向下相同。但是，它可能会在不连续的地方发生变化，例如，在最后。如果末端开路，信号到达线路末端时会出现无限大的瞬时阻抗。如果有分支，它会看到分支点的瞬时阻抗下降。

互连的特性阻抗是均匀传输线的物理质量，由于其几何形状和材料特性，它表征了传输线。它等于信号沿均匀横截面传播时所见的瞬时阻抗的一个值。如果传输线不均匀，则瞬时阻抗会发生变化，并且没有一个阻抗可以表征线路。特性阻抗仅适用于均匀传输线。

在信号完整性领域工作的每个人有时都会变得懒惰，只使用术语阻抗。因此，我们必须提出限定性问题，即我们指的是哪种阻抗，或者查看其使用的上下文，以了解我们指的是这三种阻抗中的哪一种。知道了区别，我们都可以尝试使用正确的那个，而不是模棱两可的。

当上升时间短于互连的往返飞行时间时，驱动器将看到互连的电阻输入阻抗等于上升沿期间线路的特性阻抗。即使线路在远端可能是开路的，但在过渡时间内，线路的前端将表现得像一个电阻器。

往返飞行时间与材料的介电常数和线路的长度有关。大多数驱动器的上升时间都在亚纳秒范围内，任何超过几英寸的互连看起来都会很长，并且在转换期间对驱动器来说就像一个电阻负载。这是必须考虑所有互连的传输线行为的重要原因之一。

在高速状态下，长度超过几英寸的互连对驱动程序来说不像是开路。它在转换期间表现得像一个电阻器。当长度足够长以显示传输线行为时，驱动器看到的输入阻抗可能与时间有关。此属性将强烈影响在互连上传播的信号的行为。

鉴于此标准，实际上高速数字系统中的所有互连都将表现得像传输线，并且这些特性将主导信号完整性效应。对于 3 英寸长板上的传输线，往返飞行时间约为 1 纳秒。如果驱动线路的集成电路 (IC) 的上升时间小于 1 纳秒，则在上升沿或下降沿期间从线路前端看到的阻抗将是线路的特性阻抗。驱动器 IC 将看到一个电阻性阻抗。如果上升时间远远超过 1 纳秒，它会将线路的阻抗视为开路。如果信号的上升时间介于两者之间，则驱动器会看到非常复杂的阻抗变化，因为边沿在低阻抗驱动器和开路接收器之间来回反弹。通常只能使用仿真工具来分析接收到的电压。

往返飞行时间是传输线的一个非常重要的参数。对于驱动器来说，此时线路似乎是电阻性的。下图显示了由空气 (ε = 1)、FR4 (ε = 4) 和陶瓷 (ε = 10) 介电材料制成的各种长度传输线的往返飞行时间。在大多数时钟频率高于 200 MHz 的系统中，上升时间小于 0.5 纳秒。对于这些系统，所有长于约 1.5 英寸的传输线在上升期间都将呈现电阻性。这意味着对于几乎所有高速驱动器，当它们在转换期间驱动传输线时，它们看到的输入阻抗将像电阻器一样起作用。