一文浅析传输线的阻抗和传输延时

传输线是由介质和导线构成的。在PCB上，传输线通常分为微带线和带状线。如下图所示：

为了确保良好的信号完整性，需要保证传输线上每一点的阻抗是一致的。在传输线任何点的特性阻抗变化都会导致信号反射，这样就会造成噪声。

但是，在高速PCB中，存在着芯片封装、breakout区域、过孔、分支和其它组件寄生等因素都会导致阻抗失配。

在高速设计中，不受控制的阻抗会显著降低电压和时序裕量，以致电路恶化或者无法运行下去。咱们能做的事情是尽量减少阻抗不连续点。

有损传输线电路模型：

传输线的简单模型可以由RLC构成，如下图所示：

通常，把传输线分为有损传输线和无损传输线。显然，在PCB上存在的都是有损传输线。有损传输线可以假定其是由无限多阶RLC构成的一个多级电路。

串联电阻表示分布电阻，单位为每单位长度的欧姆 (ohm)。串联电感表示分布环路电感，单位为每单位长度的亨 (H)。

分隔两个导体的是介电材料，由每单位长度的电导 G 表示，单位为西门子 (S)。并联电容器以每单位长度的法拉 (F) 为单位表示两个导体之间的分布电容。

那么，特性阻抗可以通过以下公式计算：

其中：

Z0是传输线的特性阻抗。

R0是传输线单位长度的串联电阻。

L0是传输线单位长度的环路电感。

G0是传输线单位长度的电导。

C0是传输线单位长度的电容。

无损传输线：

无损传输线与R0和G0无关，所以其阻抗公式为：

无损传输线虽然在实际的工程中不存在，但是也不能无视其存在。无损传输线在很多场合都是非常有意义的。

传播延时：

在高速电路中，我们经常用传输线延时与信号上升时间的大小来作对比，并以此来判断是否为高速信号。

从传输线A传递到B所使用的时间Tpd就是传输线的延时。给定单位长度的电感和电容，信号的传播延时可以由以下等式确定：

其中：

Tpd是以秒/单位长度为单位的传播延时。

L0是传输线每单位长度的环路电感。

C0是传输线每单位长度的电容。

信号以光速在自由空间中传播。所以当信号在导体中传递时，其与传输线介质的介电常数是有关系的。

当介质确定时，可以通过下列公式计算传输线的传播延迟：

其中：

Dk是材料的介电常数。

c是自由空间中的光速 ≈ 3.0x8m/s。

真空的介电常数是1。空气的相对介电常数约为1。而PCB介质的介电常数通常都大于1，比如常说的FR4这类型的材料的介电常数约为4。所以空气是一种非常优良的介质。

由此，我们经常使用一个经验公式来计算信号在传输线中的延时或者每1ns在介质中传递的距离是多少。经验公式如下所示：

其中：

Dkeff是介质的相对介电常数

Len的单位是inch(每1ns所对应的长度)

在进行高速电路PCB设计时，经常看到的一个经验数字就是，在PCB上每1ns所对应的长度是6inch，指的就是当PCB使用材料的介电常数是4。

但是实际上，这还要区分是微带线、还是带状线，如果是微带线，其相对介电常数是大于1的。

审核编辑：刘清