傳輸線特性阻抗

傳輸線的基本特性是特性阻抗和信號的傳輸延遲，在這里，我們主要討論特性阻抗。傳輸線是一個分布參數(shù)系統(tǒng)，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長度的電感L和單位長度的電容C以及單位長度上的電阻、電導(dǎo)來表示，它們主要由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù)，給定某一種傳輸線，這些參數(shù)的值也就確定了，這些參數(shù)反映著傳輸線的內(nèi)在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。
一個傳輸線的微分線段l可以用等效電路描述如下：

傳輸線的等效電路是由無數(shù)個微分線段的等效電路串聯(lián)而成，如下圖所示：

從傳輸線的等效電路可知，每一小段線的阻抗都是相等的。傳輸線的特性阻抗就是微分線段的特性阻抗。

傳輸線可等效為：

Z0 就是傳輸線的特性阻抗。
Z0描述了傳輸線的特性阻抗，但這是在無損耗條件下描述的，電阻上熱損耗和介質(zhì)損耗都被忽略了的，也就是直流電壓變化和漏電引起的電壓波形畸變都未考慮在內(nèi)。實際應(yīng)用中，必須具體分析。
傳輸線分類
當今的快速切換速度或高速時鐘速率的 PCB 跡線必須被視為傳輸線。傳輸線可分為單端（非平衡式）傳輸線和差分（平衡式）傳輸線，而單端應(yīng)用較多。
單端傳輸線路
下圖為典型的單端（通常稱為非平衡式）傳輸線電路。

單端傳輸線是連接兩個設(shè)備的最為常見的方法。在上圖中，一條導(dǎo)線連接了一個設(shè)備的源和另一個設(shè)備的負載， 參考（接地）層提供了信號回路。信號躍變時，電流回路中的電流也是變化的，它將產(chǎn)生地線回路的電壓降，構(gòu)成地線回路噪聲，這也成為系統(tǒng)中其他單端傳輸線接收器的噪聲源，從而降低系統(tǒng)噪聲容限。
這是一個非平衡線路的示例，信號線路和返回線路在幾何尺寸上不同
高頻情況下單端傳輸線的特性阻抗（也就是通常所說的單端阻抗）為：

其中：L為單位長度傳輸線的固有電感，C為單位長度傳輸線的固有電容。
單端傳輸線特性阻抗與傳輸線尺寸、介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)的關(guān)系如下：
?? 與跡線到參考平面的距離（介質(zhì)層厚度）成正比
?? 與跡線的線寬成反比
?? 與跡線的高度成反比
?? 與介電常數(shù)的平方根成反比
單端傳輸線特性阻抗的范圍通常情況下為 25Ω至120Ω，幾個較常用的值是28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω。
差分傳輸線路
下圖為典型的差分（通常稱為平衡式）傳輸線電路。

差分傳輸線適用于對噪聲隔離和改善時鐘頻率要求較高的情況。在差分模式中，傳輸線路是成對布放的，兩條線路上傳輸?shù)男盘栯妷?、電流值相等，但相位（極性）相反。由于信號在一對跡線中進行傳輸，在其中一條跡線上出現(xiàn)的任何電子噪聲與另一條跡線上出現(xiàn)的電子噪聲完全相同（并非反向），兩條線路之間生成的場將相互抵消，因此與單端非平衡式傳輸線相比，只產(chǎn)生極小的地線回路噪聲，并且減少了外部噪聲的問題。
這是一個平衡線路的示例-- 信號線和回路線的幾何尺寸相同。平衡式傳輸線不會對其他線路產(chǎn)生噪聲，同時也不易受系統(tǒng)其他線路產(chǎn)生的噪聲的干擾。
差分模式傳輸線的特性阻抗（也就是通常所說的差分阻抗）指的是差分傳輸線中兩條導(dǎo)線之間的阻抗， 它與差分傳輸線中每條導(dǎo)線對地的特性阻抗是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)為：
?? 間距很遠的差分對信號，其特性阻抗是單個信號線對地特性阻抗的兩倍。
?? 間距較近的差分對信號，其特性阻抗比單個信號線對地特性阻抗的兩倍小。
?? 別的因素保持不變時，差分對信號之間的間距越小其特性阻抗越低（差分阻抗與差份線隊之間的間距成反比）。
差分傳輸線特性阻抗通常情況下為100Ω，有時也用到75Ω。
考慮到多層PCB板生產(chǎn)時PCB跡線可分布于表面或者內(nèi)層，這兩種情況下PCB跡線的參考平面有所不同，所以又可將PCB跡線分為微波傳輸帶（Microstripe）和帶狀線（Stripeline）傳輸線路。
微波傳輸帶傳輸線路是由一條安裝在可導(dǎo)接地層的低損耗絕緣體上的控制寬度的可導(dǎo)跡線構(gòu)成的。該絕緣體通常使用強化玻璃環(huán)氧樹脂制造，例如 G10、FR-4 或 PTFE，用于超高頻應(yīng)用。
帶狀線傳輸線路通常包括夾在兩個參考層和絕緣材質(zhì)之間的導(dǎo)線跡線。傳輸線路和層構(gòu)成了控制阻抗。
帶狀線與微波傳輸帶的不同之處在于它嵌入到兩個參考層之間的絕緣材質(zhì)中，帶狀線阻抗參考兩個平面，阻抗跡線在內(nèi)層，而微波傳輸帶只有一個參考平面，阻抗跡線在PCB板的外層（表層）。
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定，這些因子將是跡線物理尺寸（例如跡線的寬度和厚度）和 PCB 底板材質(zhì)的絕緣常數(shù)和絕緣厚度的函數(shù)，因此也可以說，PCB板跡線的阻抗值由信號跡線的物理尺寸（寬度和厚度）、線路板絕緣常數(shù)、絕緣介質(zhì)厚度、信號跡線與層的配置決定。