传输线阻抗理论

一、理想元件阻抗特性：对于所有的理想元件，传输线“阻抗”为该导体两端的电压和流经该导体的电流的比值，一般包括阻抗、感抗和容抗的统称。

电阻阻抗： 

电感感抗： 

电容容抗： 

显然，对于理想电感和电容，其阻抗和频率有关。理想电感器的阻抗随频率升高而增大；理想电容器的阻抗随频率升高而减小。

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二、高速信号传播方式：对于高速信号的传输线，其能量的传播是依靠交变电磁场在传输介质上的交替变化完成的，那么它的传输路径包括：微带线、回流路径、微带线与回流路径之间的介质。所以对于一个特定的传输线而言，信号线和回流路径之间构成的是一个双端口网络，而其阻抗是构成等效电路的各个因素综合的结果。如下图所示为传输线与传输线阻抗的示意图。

因此当谈到传输线的阻抗时，其实质是在该传输介质中某一点所建立的电场及流经该点的电流之间的关系，而这个“建立的电场”就是特指在显而易见的传输线和参考回路之间，所构成的传输介质上的电场。

传输线有两个非常重要的特征：特征阻抗、时延。传播时延与介质的介电常数的平方根成正比，印制电路板的外层介电常数小于内层介电常数，因此电路板外层走线的传播速度比内层走线的传播速度快，时延小。

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三、传输线阻抗匹配理论：

(1)、信号的回流路径与参考平面：对于高速信号而言，信号需要两个通道来满足信号的传输和回流，这就是通常所说的信号路径与信号回流路径。在高速电路设计中，两种常用的传输线是微带线(只有一边有参考平面)与带状线(有两个参考平面)。电流永远都是一个闭合回路，电流总是趋向于流向阻抗低的路径，返回电流最终必须到其驱动器件的接地参考脚。

(2)、传输线的特征阻抗：是传输线影响电信号电压、电流的幅值和相位变化的固有特征，等于传输线各处的电压与电流的比值。影响特征阻抗的因素主要有：线宽(反比)、PCB走线的铜厚(反比)、介质的厚度(正比)、介质的介电常数(反比)。对于差分走线的差分特性阻抗来说：走线间距(正比)也是重要因素。保持传输线上特征阻抗的连续是信号完整性的重要内容。特征阻抗值一般借助软件SI9000进行计算即可，计算后并与PCB生产商确认阻抗加工参数的合理性。

(3)、高速信号的反射问题：对于单个网络来说，几乎所有问题都来源于信号传输路径上的阻抗不连续所导致的信号反射。因此对于单个网络信号完整性问题的研究，就是对这个网络的阻抗分布和反射特性的研究。当整个网络上的反射足够多，累积到一定程度，就会破坏这个网络上传输的信号，使得信号质量严重下降，从而导致信号严重失真。下图是著名的梯形反射分析图。

在信号完整性分析中，反射系数和传输系数的计算公式是进行反射分析的两个强有力的公式，工程实践当中经常用到。当然在阻抗不连续的交界面处，虽然发生了信号反射而且阻抗也发生了变化，但是在交界面处电压和电流一定都是连续的。

反射系数定义为反射电压和输入电压的比值，即Vf / Vi。反射系数的计算公式为：(Zs2-Zs1)/(Zs2+Zs1)

传输系数定义为传输电压和输入电压的比值，即Vt / Vi。传输系数的计算公式为：2*Zs2/(Zs2+Zs1)。

(4)、阻抗匹配与端接技术：为了解决信号传输时阻抗不连续和信号反射的问题，阻抗匹配与端接技术应运而生。阻抗匹配最重要的就是匹配电阻阻值的确定，端接技术最重要的就是端接匹配方式的确定。对于不同的阻抗有以下三种情况：

①Zs1=Zs2，即阻抗相等，反射系数为0，特征阻抗保持连续且没有信号反射。

②Zs2=无穷大，反射系数为1，这时在开路端(末端)将产生与入射波大小相同但方向相反的返回源端的反射波。

③Zs2=0，反射系数为-1，反射幅度与入射电压相同，但极性相反，叠加结果是末端电压为0，末端短路且阻抗为0。

信号的反射会出现过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot),反复的过冲和下冲会导致振铃现象，严重影响信号的完整性。为了解决信号发送端与接收端阻抗不连续的问题，需要人为加入匹配电阻消除或减弱因为阻抗不连续所导致的信号反射问题。在传输线上进行阻抗匹配主要有以下两种策略：串联终端匹配、并联终端匹配。

串联终端匹配是指在信号源端串联额外的匹配电阻，使源端的阻抗与传输线阻抗相匹配。

并联终端匹配是指在负载端并联额外的匹配电阻，使负载端的阻抗与传输线阻抗相匹配。