PCB阻抗测量技术

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1、PCB阻抗测量技术安捷伦科技（中国）有限公司：孙灯亮PCB传输线的特征阻抗和差分阻抗现代的智能手机，计算机，通信设备等电子产品都内含复杂的PCB，这些PCB上的传输线负责把各种芯片连接在一起，并进行互相通信。图1现代高速电路中的传输线互连衡量PCB上传输线的最重要指标是特征阻抗，或叫特性阻抗，简称阻抗。PCB传输线的特征阻抗不是直流电阻，它属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号边沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个瞬态电流I，而如果信号的瞬态电压为V，在信号传输过程中

2、，传输线就会等效成一个电阻，大小为，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。图2传输线用等效的集中参数电路RLCG描述传输线的特征阻抗主要与传输线的结构有关系。把传输线分成一小段一下段，如图2所示，每一段用等效的集中参数RLCG电路表示，传输线即可用电报方程来表达：电报方程的通解为：其中：为传播常数为特征阻抗由于R,G远小于jwL，jwC，所以通常所说的特征阻抗或阻抗是指：这个是最终的特征阻抗公式，从公式中可见，传输线的特征阻抗只与寄生电感和寄生电容有关，而与频率没有关系，单位也直接用欧姆来表示。寄生电

3、感和寄生电容与传输线结构和介电常数有关，而介电常数与频率也有一些关系，所以特征阻抗与频率也有微弱的关系。PCB中常见的几种传输线结构如图3所示。图3PCB中常见的单端传输线结构微带线指的是处于PCB板外层的线路。微带线的电场穿透两种不同的介电质，相对较难控制阻抗。空气的介电常数较PCB为低，所以整体微带线的等效介电常数较低（约为2）。信号在微带线上的传输速率较快（约为每英寸145ps）。因为在微带线分布在PCB的表面，可以节省层数进行高密度布线，但是较容易受到干扰。带状线是指处于PCB板内层的线路。带状线的电场只在PCB的范围内，相对较易控制阻抗。带状线周围介质的介电常数较高（约为4.4）

4、，信号传输速度相对较慢（约为每英寸185ps）。因为在PCB的里面，所以不容易受干扰。图4微带线和带状线电场和磁场分布对于微带线或带状线，都有如下特征：阻抗与走线宽度和走线厚度成反比；阻抗与叠层板高度成正比；阻抗与叠层板的介电常数的平方根成反比。所以研发设计PCB或工厂生产PCB时通过控制走线的宽度，厚度，叠层高度，及使用不同的PCB板材，就可以控制PCB传输线的特征阻抗。随着信号速率越来越高，差分信号变得越来越普遍，其主要优点如下。1.由于差分传输线结构共模抑制能力强，可以更好的抗干扰。2.由于差分传输线结构的两根线间是平衡的，它们之间的电磁场将抵消，能够更好地降低辐射。3.差分传输结构

5、可实现更加精确的时序控制，可减少由于电流瞬变导致的电源噪声。PCB上的差分传输线结构如下图。比较常用的是边对边耦合的微带差分线和边对边耦的带状差分线。这两种结构不论设计或生产都比较容易进行阻抗控制。图5PCB差分传输线结构差分传输结构或差分传输线具有两种独特的传播方式，每种方式都有自己的特征阻抗。大多数资料把这两种方式称为奇模阻抗和偶模阻抗。奇模阻抗被定义为通过监测一条线路，而另一条线路通过互补信号驱动而测量的阻抗。差分阻抗是指在差分驱动时在两条传输线中测量的阻抗。差分阻抗是奇模阻抗的两倍。偶模阻抗被定义为通过监测一条线路，而另一条线路通过同等信号驱动而测量的阻抗。共模阻抗是指并连在一起的

6、线路的阻抗，是偶模阻抗的二分之一。图5差分传输线的奇模阻抗和偶模阻抗差分阻抗和奇模阻抗的计算公式如下：共模阻抗和偶模阻抗的计算公式如下：图6差分/共模结构的电磁场分布和模型PCB阻抗和差分阻抗测试仪器和探头现在测试PCB阻抗的仪器主要有两种：基于采样示波器的时域反射计TDR和基于网络分析仪的ENA-TDR。图7是典型的时域反射计TDR，由采样示波器86100D和TDR模块54754A组成，其典型的TDR指标是：硬件上升时间40ps，归一化的上升时间<25ps（最低16ps）。图786100D采样示波器和54754ATDR测试模块图8是现在比较流行的基于网络分析仪E5071C的ENA-TDR

7、，由2端口或4端口E5071C矢量网络分析仪和TDR选件构成，其典型的TDR指标是：上升时间22ps。图8基于网络分析仪的ENA-TDR测量PCB单端阻抗或差分阻抗，探头是必不可少的一部分。如果已经在被测PCB上设计了SMA接头或测试夹具，可以用同轴电缆直接连接被测件测量。大多数情况都是裸PCB或裸的测试条，这时需要用探头测量。探头可以自己制作，如图9所示，是本人自己制作的差分TDR探头，实际使用效果还是非常好的。自己制