特性阻抗之诠释与测试
白蓉生
一 . 前言
抽象又复杂的数字高速逻辑原理与传输线中方波讯号的如何传送以及如何确保其讯号完整性 Signal Integrity降低其噪声 Noise 减少之误动作等专业表达若能以简单的生活实例加以说明而非动则搬来一堆数学公式与难懂的物理语言者则对新手或隔行者之启迪与造福实有事半功倍举重若轻之受用也
然而众多本科专业者甚至杏坛为师的博士教授们不知是否尚未真正进入情况不知其所以然亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知或是二者心态兼有之坊间大量书籍期刊文章多半也都言不及义缺图少例确实让人雾里看花
看懂了反倒奇怪呢
笔者近来获得一份有关阻抗控制的演示文稿资料系电性测试之专业日商HIOKI 所提供其内容堪称文要图简一看就懂令人爱不释手正是笔者长久以来所追求的境界大喜之下乃征得原著问港建公司的同意并经由港建公司廖丰莹副总的大力协助以及原作者山崎浩 Hiroshi Yamazaki及其上司金井敏彦 Toshihiko Kanai等解惑下得以完成此文在此一并感谢并欢迎所
有前辈先进们多多慨赐类似资料嘉惠学子读者
则功在业界善莫大焉
二 .将讯号的传输看成软管送水浇花
2.1 数字系统之多层板讯号线 Signal Line中当出现方波讯号的传输时可将之假想成为软管 hose 送水浇花一端于手握处加压使其射出水柱另一端接在水龙头当握管处所施压的力道恰好而让水柱的射程正确洒落在目标区时则施与受两者皆欢而顺利完成使命
岂非一种得心应手的小小成就
2.2 然而一旦用力过度水注射程太远不但腾空越过目标浪费水资源甚至还可能因强力水压无处宣泄以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱 ! 不仅任务失败横生挫折
而且还大捅纰漏满脸豆花呢
2.3 反之当握处之挤压不足以致射程太近者则照样得不到想要的结果过犹不及皆非所欲
唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜
2.4 上述简单的生活细节正可用以说明方波 Square Wave讯号 Signal 在多层板传输线 Transmission Line系由讯号线介质层及接地层三者所共同组成中所进行的快速传送此时可将传输线常见者有同轴电缆 Coaxial Cable 与微带线 Microstrip Line或带线 Strip Line等看成软管而握管处所施加的压力就好比板面上接受端Receiver 组件所并联到 Gnd 的电阻器一般是五种终端技术之一请另见 TPCA 会刊第 13期内嵌式电阻器之发展一文之详细说明可用以调节其终点的特性阻抗Characteristic
Impedance
使匹配接受端组件内部的需求
三 . 传输线之终端控管技术 Termination
3.1 由上可知当讯号在传输线中飞驰旅行而到达终点欲进入接受组件如 CPU 或 Menomery 等大小不同的 IC 中工作时则该讯号线本身所具备的特性阻抗必须要与终端组件内部的电子阻抗相互匹配才行如此才不致任务失败白忙一场用术语说就是正确执行指令减少噪声干扰避免错误动作一旦彼此未能匹配时则必将会有少许能量回头朝向发送端反弹进而形成反射噪声 Noise 的烦恼
3.2 当传输线本身的特性阻抗 Z0被设计者订定为 28ohm 时则终端控管的接地的电阻器 Zt 也必须是 28ohm 如此才能协助传输线对 Z0的保持使整体得以稳定在28 ohm的设计数值也唯有在此种 Z0=Zt的匹配情形下讯号的传输才会最具效率其讯号完整性 Signal Integrity为讯号品质之专用术语也才最好
四 . 特性阻抗
Characteristic Impedance
4.1 当某讯号方波在传输线组合体的讯号线中以高准位 High Level的正压讯号向前推进时则距其最近的参考层如接地层中理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行等于正压讯号反向的回归路径
Return Path如此将可完成整体性的回路 Loop 系统该讯号前行中若将其飞行时间暂短加以冻结即可想象其所遭受到来自讯号线介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值
Instantanious Impedance此即所谓的
特性阻抗
是故该特性阻抗应与讯号线之线宽 w 线厚 t 介质厚度 h 与介质常数 Dk 都扯上了关系此种传输线之一的微带线其图标与计算公式如
下
笔者注 Dk Dielectric Constant 之正确译词应为介质常数原文中之 ...r 其实应称做
相对容电率 Relative Permitivity 才对后者是从平行金属板电容器的立场看事情由于其更接近事实因而近年来许多重要规范如 IPC-6012IPC-4101IPC-2141与IEC-326等都已改称为 ... r了且原图中
的 E 并不正确应为希腊字母 Episolon 才对
4.2 阻抗匹配不良的后果
由于高频讯号的特性阻抗 Z0原词甚长故一般均简称之为
阻抗读者千万要小心此与低频 AC 交流电 60Hz 其电线并非传输线中所出
现的阻抗值 Z 并不完全相同数字系统当整条传输线的 Z0都能管理妥善而控制在某一范围内
10﹪或 5﹪者此品质良好的传输线将可使得噪声
减少而误动作也可避免
但当上述微带线中 Z0的四种变量 w t h r有任一项发生异常例如图中的讯号线出现缺口时将使得原来的 Z0突然上升见上述公式中之 Z0与 W 成反比的事实而无法继续维持应有的稳定均匀 Continuous 时则其讯号的能量必然会发生部分前进而部分却反弹反射的缺失如此将无法避免噪声及误动作了下图中的软管突然被山崎的儿子踩住造成软管两端都出现异常正好可说明上述特性阻抗匹配不良的问题
4.3 阻抗匹配不良造成噪声
上述部分讯号能量的反弹将造成原来良好品质的方波讯号立即出现异常的变形即发生高准位向上的 Overshoot 与低准位向下的 Undershoot 以及二者后续的Ringing 详细内容另见 TPCA 会刊第 13期嵌入式电容器
之内文此等高频噪声严重时还会引发误动作而且当时脉速度愈快时噪声愈多也愈容易
出错
五 . 特性阻抗的测试
5.1 采 TDR 的量测
由上述可知整体传输线中的特性阻抗值不但须保持均匀性而且还要使其数值落在设计者的要求的公差范围内其一般性的量测方法就是使用时域反射仪
Time Domain Reflectometry TDR 此 TDR 可产生一种梯阶波 Step Pulse 或 Step Wave 并使之送入待测的传输线中而成为入射波
Incident Wave于是当其讯号线在线宽上发生宽窄的变化时则萤光幕上也会出现 Z0欧姆值的上下起伏振荡
5.2 低频无须量测 Z0高速才会用到 TDR
当讯号方波的波长读音 Lambda 远超过板面线路之长度时则无需考虑到反射与阻抗控制等高速领域中的麻烦问题例如早期 1989年速度不快的 CPU 其时脉速率仅 10MHz 而已当然不会发生各种讯号传输的复杂问题然而目前的 Pentium 其内频却已高达 1.7GHz 自然就会问题丛生相较当年之巨大差异
岂仅是霄壤云泥而已
由波动公式可知上述当年 10MHz 方波之波长为
但当 DRAM 芯片组的时脉速率已跃升到 800MHz 其方波之波长亦将缩短到37.5cm 而 P-4 CPU之速度更高达 1.7GHz 其波长更短到 17.6cm 则其 PCB 母板上两者之间传输的外频也将加速到 400MHz 与波长 75cm 之境界可知此等封装载板Substrate 中的线长甚至母板上的的线长等均已逼近到了讯号的波长当然就必须要重视传输线效应也必须要用到 TDR 的测量了
5.3 TDR由来已久
利用时域反射仪量测传输线的特性阻抗 Z 值此举并非新兴事物早年即曾用以监视海底电缆 Submarine Cable的安全随时注意其是否发生传输品质上的不连续Disconnection 的问题目前才逐渐使用于高速计算机领域与高频通讯范畴中
5.4 CPU载板的 TDR 测试
主动组件之封装 Packaging 技术近年来不断全面翻新加速进步 70年代的 C-DIP 与 P-DIP 双排脚的插孔焊装 PTH 目前几已绝迹 80年金属脚架 Lead Frame 的QFP 四边伸脚或 PLCC 四边勾脚者亦渐从 HDI 板类或手执机种中迅速减少代之而起的是有机板材的底面格列 Area Array球脚式的 BGA 或 CSP 或无脚的 LGA 甚至连芯片 Chip 对载板 Substract 的彼此互连 Interconnection 也从打金线 Wire Bond 进步到路径更短更直接的覆晶 Flip Chip; FC技术
整体电子工业冲锋之快几乎已到了瞬息万变
Hioki公司 2001年六月才在 JPCA 推出的 1109 Hi Tester为了对 1.7GHz 高速传输 FC/PGA载板在 Z0方面的正确量测起见已不再使用飞针式 Flying probe 快速移动的触测也放弃了 SMA 探棒式的 TDR 手动触测 Press-type 的做法而改采固定式高频短距连缆与固定式高频测针的精准定位而在自动移距及接触列待测之落点处
进行全无人为因素干扰的高精密度自动测试
在 CCD 摄影镜头监视平台的 XY 位移及 Laser 高低感知器督察 Z 方向的落差落点此等双重精确定位与找点再加上可旋转式接触式测针之协同合作下得以避免再使用传统缆线连接器与开关等中介的麻烦大幅减少 TDR 量测的误差如此已使得 1109 HiTESTER在封装载板上对 Z0的量测远比其它方法更为精确
实际上其测头组合是采用一种四方向的探针组每个方向分别又有 1个 Signal 及 2个 Gnd 在 CCD 一面监视一面进行量测下其数据当然就会更为准确且温度变化所带来的任何误差也可在标准值陶瓷卡板的自动校正下减到最低
5.5 精确俐落大小咸宜
此款最新上市的 1109不但能对最高阶封装载板的 CPU 进行 Z0量测且对其余的高价位 CSP BGA FC 等也都能在游刃有余下完成逐一精测其之待测尺寸更可从10mm 10mm 的微小一跃而至到 500mm 600mm 的巨大剧变情势下均能应对裕如令人激赏未来业界也许还要对 Coupon 以外的实际讯号线要求量测 Z0此高难度的TDR 技术
目前亦正在研发中
资料来源寻智专业顾问有限公司
射频同轴电缆特性阻抗Z C 的测试 胡 树 豪 这里介绍射频同轴电缆特性阻抗Z C 的6种测试方法。它们同样也适合于双绞线，只不过仪器要转换为差分系统而已。 一、λ/4线接负载法 1、测试方法与步骤： ·待测电缆一段，长约半米（无严格要求），两端装上连接器。扫频范围由仪器低频扫到百余兆赫即可。对于其它长度的电缆，扫频范围请自定。 ·仪器工作在测反射（或回损）状态，作完校正后画面应选阻抗圆图。 ·在测试端口接上待测电缆，电缆末端接上精密负载。 ·画面不外三种情况： 轨迹集中为一点，则Z C = Z 0（测试系统特性阻抗，一般为50Ω）。 轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图右边，则Z C > Z 0 。 轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图左边，则Z C < Z 0 。 ·将光标移到最接近实轴的点上，记下此点的电阻值R in （不管电抗值）。 n i C R Z Z 0= 例如：R in = 54Ω，则Z C = 52Ω，若R in = 46Ω，则Z C = 48Ω。 若轨迹不与实轴相交，则扫频范围不够或电缆太短；若交点太多，则扫频范围太宽或电缆太长。 2、优点 轨迹直观连续，不易出错。 连接器的反射可以通过λ/4线抵消。 3、缺点 必须截取短样本。 必须两端装连接器。 电缆质量必须较好，否则不同频率的测试结果起伏较大，不好下结论。 4、物理概念与对公式的理解 λ/4线有阻抗变换作用，其输入阻抗Z in 与负载阻抗Z L 之间满足Z in = Z C 2/Z L 关系。 现在Z L = Z 0，Z in = R in ，代入展开即得上面的Z C 计算公式。 λ/4线的阻抗变换公式是众所周知的，但作为特性阻抗的测试方法却未曾见。在测阻抗曲线试验中发现，与实轴相交的这一点是可用来测特性阻抗的；因为它把矛盾扩大了，反而更容易测准。由于曲线是很规矩的，不易出错。但必须用第一个交点，即除原点以外的最低频率的与实轴最近的一点，用第二点就可能出问题。换句话说，待测电缆的电长度应为λ/4的奇数倍，不能是偶数倍。 二、λ/8线开、短路法 1、测试方法与步骤： ·样本与扫频方案 对于已装好连接器的跳线，长度已定，只能由长度定扫频方案而对于电缆原材料，则可以按要求频率确定下料长度。此时待测电缆一头装连接器即可。
特性阻抗计算公式推导过程 王国海 以下内容供参考。 1．传输线模型 2 符号说明 R L G C 分布式电阻电感电导电容 3 计算过程 (1) u(△z)-u=-R*?z*i-L*△z*?i ?t i(△z)- i=-G*△z*u(△z)?c?△z??u (2) ?t (1)(2) 两边同除以△z，得到电报公式
?u ?z +Ri+L ?i ?t =0 (3) ?i ?z +Gu+C ?u ?t =0 (4) u(z,t)=U(z)e jωt (5) i(z,t)=I(z)e jωt (6) 由（5）（6） 计算得道下列公式 ?u(z,t)?z =dU(z)dz e jωt （7） ?u(z,t)?t =U(z) e jωt jω （8） ?i(z,t)?z =dI(z)dz e jωt （9） ?i(z,t)?t =I(z) e jωt jω （10） 将（7）（8） （9） （10） 代入公式（3） dU(z)dz e jωt +Ri+L I(z) e jωt jω=0，i 用公式（6）代入， dU(z)dz e jωt +R I(z)e jωt +L I(z) e jωt jω=0 化简得到： dU(z)dz =-（R+ jωL)I(z) (11) 同理7）（8） （9） （10）代入（4）可得 dI(z)dz =-（G+ jωC)U(z) (12) 由（11）（12） 得到 dU(z)dI(z)=（R+ jωL)I(z) （G+ jωC)U(z) (13) 交叉相乘， （G + jωC)U(z) dU(z)= （R + jωL)I(z)dI(z) 两边积分， ∫（G + jωC)U(z) dU(z)=∫（R + jωL)I(z)dI(z) 12（G + jωC)U(z)2=12（R + jωL)I(z)2 U(z)2I(z)2=（R+ jωL)(G+ jωC) 两边开根号 Z=U/I=√（R+ jωL)(G+ jωC) 假定R=0，G=0 （无损）得到特性阻抗近似公式 Z=√L C
成品阻抗测试方法： 1、仪器设置： 网络分析仪：CENTER：200MHz SPAN：2MHz（视被测电缆的长度进行设定）MEAS：S12 或S21 FORMA T：Phase 直通校准 注意：校准完毕为一条数值为零的直线，SPAN更改不同的数值需要重新校准。 2、电容测量仪测试电容值。（数值现实稳定可以读取数值）。 3、相位差的测量： 网络分析仪连接被测电缆，显示相位值，按照以下方式进行读取数值： 打开菜单MARKER SERACH，target value设置为0，打开multi target search , 记录两个标记点的频率值（注意：选择红圈内数值最接近的标记点）。 如上图所示：应选择标记点1、2。 δf=(f m -f n )/m-n 4、按照特性阻抗的公式： 平均特性阻抗=1000/(δf*c) δf单位为MHz, C为测量的电容值：单位nf。 注意事项：1、测试频率差时被测电缆的接头状态必须和测试电容的接头状态保持一致。 2、target value设置为0，以避免产生误差。 3、保证校准状态有效。
相对传播速度的测量方法： 1：相对传播速度的定义：信号在介质中的传播速度与自由空间的传播速度之比。 2、仪器的设置： 网络分析仪进行测试： CENTER：200MHz SPAN：1MHz MEAS：S12 或S21 FORMA T：Group delay 直通校准 校准后为一条数值为零的直线。 3、连接被测电缆，打开Marker Factions ，将统计功能打开。读取平均值即为延迟时间t。 4、按照下列公式计算相对传播速度： V =L/(t?c) ?100% V：相对传播速度。L：电缆的实际长度（米）c=3.0?108米/秒 t ：延迟时间（秒）。 电缆相位及电长度测试及计算方法： 1、仪器的设置： 网络分析仪设置： CENTER：要求测试频点SPAN：10MHz（或者按照通知单要求设置起始终止频率）MEAS：S12 或S21 FORMA T：Extend Phase 直通校准 校准后为一条数值为零的直线。 2、连接被测电缆，读取要求频率点的数值。
交流阻抗怎么测量 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 （1）交流阻抗：交流阻抗即阻抗，在电子学中，是指电子部件对交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性;在电化学中，是指电极系统对所施加的交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性。阻抗模的单位为欧姆，阻抗辐角(相角）的单位为弧度或度。 （2）交流阻抗谱：在测量阻抗的过程中，如果不断地改变交流激励信号的频率，则可测得随频率而变化的一系列阻抗数据。这种随频率而变的阻抗数据的集合被称为阻抗频率谱或阻抗谱。阻抗谱是频率的复函数，可用幅频特性和相频特性的组合来表示;也可在复平面上以频率为参变量将阻抗的实部和虚部展示出来。测量频率范围越宽，所能获得的阻抗谱信息越完整。RST5200电化学工作站的频率范围为：0.00001Hz～1MHz，可以很好地完成阻抗谱的测量。 （3）电化学阻抗谱：电化学阻抗谱是一种电化学测试方法，采用的技术是小信号交流稳态测量法。对于电化学电极体系中的溶液电阻、双电层电容以及法拉第电阻等参量，用电化学阻抗谱方法可以很精确地测定;而用电流阶跃、电位阶跃等暂态方法测定，则精度要低一些。另外，像扩散传质过程等需要用较长时间才能测定的特性，用暂态法是无法实现的，而这却是电化学阻抗谱的长项。 （4）电化学阻抗谱测量的特殊性：就测量原理而言，在电化学中测量电极体系的阻抗谱与在电子学中测量电子部件的阻抗谱并没有本质区别。通常，我们希望获得电极体系处于某一状态时的电化学阻抗谱。而维持电极体系的状态，须使电极电位保持不变。通常认为，电极电位变化50mV以上将会破坏现有的状态。因此，在电化学阻抗谱测量中，必须注意两个关键点，即：偏置电位和正弦交流信号幅度。 （5）正弦交流信号的幅度：为了避免对电化学电极体系产生大的影响以及希望其具有较好的线性响应，正弦交流信号的幅度通常可设在2～20mV之间。 （6）自动去偏：在电化学阻抗谱测量过程中，由于偏置电位不一定等于开路电位以及少量的非线性作用，在工作电极电流中还会含有直流成分。去除这个直流成分(偏流），可扩大交流信号的动态范围、提高信噪比。RST5200电化学工作站，可在测量过程中动态地调整去偏电流，使获得的阻抗谱数据更精准。另外，在软件界面的状态栏中，可实时显示工作电极的极化电流，供操作者参考。 以上为交流阻抗的相关说明，下面我们就实验设置过程中遇到的专业名词
实验十一 R、L、C元件阻抗特性的测定 实验成员： 班级： 整理人员：
实验十一 R 、L 、C 元件阻抗特性的测定 一、实验目的 1．验证电阻，感抗、容抗与频率的关系，测定R~f ，X L ~f 与X C ~f 特性曲线。 2．加深理解R 、L 、C 元件端电压与电流间的相位关系。 二、原理说明 1．在正弦交变信号作用下，电阻元件R 两端电压与流过的电流有关系式 在信号源频率f 较低情况下，略去附加电感及分布电容的影响，电阻元件的阻值信号源频率无关，其阻抗频率特性R~f 如图9-1。 如果不计线圈本身的电阻R L ，又在低频时略去电容的影响，可将电感元件视为电感，有关系式 I jX U L L ? ? = 感抗 fL X L π2= 感抗随信号源频率而变，阻抗频率特性X L ~f 如图9-1。 在低频时略去附加电感的影响，将电容元件视为纯电容，有关系式 I jX U C C ? ? - = 容抗 fC X C π21 = 容抗随信号源频率而变，阻抗频率特性X C ~f 如图9-1. 2．单一参数R 、L 、C 阻抗频率特性的测试电路如图9-2所示。 途中R 、L 、C 为被测元件，r 为电流取样电阻。改变信号源频率，测量R 、L 、
C 元件两端电压U R 、U L 、U C ，流过被测元件的电流则可由r 两端电压除以r 得到。 3．元件的阻抗角（即相位差φ）随输入信号的频率变化而改变同样可用实验方法测得阻抗角的频率特性曲线φ~f 。 用双踪示波器测量阻抗角（相位差）的方法。 将欲测量相位差的两个信号分别接到双踪示波器Y A 和Y B 两个输入端。调节示波器有关旋钮，使示波器屏幕上出现两条大小适中、稳定的波形，如图9-3所示，荧光屏上数的水平方向一个周期占n 格，相位差占m 格，则实际的相位差φ（阻抗角）为 度n 360m ? ? =φ 三、实验设备 四、实验内容 1．测量R 、L 、C 元件的阻抗频率特性。
实训项目七 R 、L 、C 元件阻抗特性的测定 一、实验目的 1．验证电阻、感抗、容抗与频率的关系，测定R ~f 、L X ~f 、C X ~f 特性曲线。 2．加深理解R 、L 、C 元件端电压与电流间的相位关系。 二、原理说明 1．在正弦交变信号作用下，电阻元件两端电压与流过的电流有关系式 I R U = 在信号源频率f 较低情况下，略去附加电感及分布电容的影响，电阻元件的阻值与信号源频率无关，其阻抗频率特性R ~f 如图3-20。 如果不计线圈本身的电阻1R ，又在低频时略去电容的影响，可将电感元件视为纯电感，有关系式， I jX U L = 感抗 fL X L π2= 感抗随信号源频率而变，阻抗频率特性L X ~f 如图3-20所示。 在低频时略去附加电感的影响，将电容元件视为纯电容，有关系式， I jX U C -= 容抗 fC X C π21 = 容抗随信号源频率而变，阻抗频率特性C X ~f 如图3-20。 图3-20 阻抗特性测试电路 2．单一参数R 、L 、C 阻抗率特性的测试电路如图3-20所示。 图中R 、L 、C 为被测元件，r 为电流取样电阻。改变信号源频率，测量R 、L 、C 元件两端电压R U 、L U 、C U 流过被测元件的电流则可由r 两端电压除以r 得到。 元件的阻抗角（即相位差?）随输入信号的频率变化而改变，同样可用实验方法测得阻
抗角频率特性曲线?~f 。 3．用双踪示波器测量阻抗角（相位差）的方法。 将欲测量相位差的两个信号分别接到双踪示波器A Y 和B Y 两个端。调节示波器有关旋钮，使示波器屏幕上出现两条大小适中、稳定的波形，如下图3-21所示，荧光屏上数得水 平方向一个周期占n 格，相位差占m 格，则实际的相位差?（阻抗角）为n m 360?=?。 图3-21 相位差测定波形图 三、实验设备 四、实验内容 1．测量单一参数R 、L 、C 元件的阻抗频率特性。 实验线路如图3-20所示，取mH L K R 10,1=Ω= ，Ω==200,1r F C μ。通过电缆线将函数信号发生器输出的正弦信号接至电路输入端，作为激励源U ，并用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值为U =3V ，并在整个实验过程中保持不变。 改变信号源的输出频率从200Hz （用频率计测量），并使开关S 分别接通R 、L 、C 三个元件，用交流毫伏表分别测量R U 、r U ；L U 、r U ；C U 、r U ，并通过计算得到各频率点时的R 、L X 、C X 之值，记录表中。
电缆的阻抗 术语 音频：人耳可以听到的低频信号。范围在20-20kHz。 视频：用来传诵图象的高频信号。图象信号比声音复杂很多，所以它的带宽（范围）也大过音频很多，少说也有0-6MHz。 射频：可以通过电磁波的形式想空中发射，并能够传送很远的距离。射频的范围要宽很多，10k-3THz(1T=1024G)。 电缆的阻抗 本文准备解释清楚传输线和电缆感应的一些细节，只是此课题的摘要介绍。如果您希望很好地使用传输线，比如同轴电缆什么的，就是时候买一本相关课题的书籍。什么是理想的书籍取决于您物理学或机电工程，当然还少不了数学方面的底蕴。 什么是电缆的阻抗，什么时候用到它？ 首先要知道的是某个导体在射频频率下的工作特性和低频下大相径庭。当导体的长度接近承载信号的1/10波长的时候，good o1风格的电路分析法则就不能在使用了。这时该轮到电缆阻抗和传输线理论粉墨登场了。 传输线理论中的一个重要的原则是源阻抗必须和负载阻抗相同，以使功率转移达到最大化，并使目的设备端的信号反射最小化。在现实中这通常意味源阻抗和电缆阻抗相同，而且在电缆终端的接收设备的阻抗也相同。 电缆阻抗是如何定义的？ 电缆的特性阻抗是电缆中传送波的电场强度和磁场强度之比。（伏特/米）/（安培/米）=欧姆 欧姆定律表明，如果在一对端子上施加电压（E），此电路中测量到电流（I），则可以用下列等式确定阻抗的大小，这个公式总是成立： Z = E / I 无论是直流或者是交流的情况下，这个关系都保持成立。 特性阻抗一般写作Z0（Z零）。如果电缆承载的是射频信号，并非正弦波，Z0还是等于电缆上的电压和导线中的电流比。所以特性阻抗由下面的公式定义： Z0 = E / I 电压和电流是有电缆中的感抗和容抗共同决定的。所以特性阻抗公式可以被写成后面这个形式： 其中 R=该导体材质（在直流情况下）一个单位长度的电阻率，欧姆 G=单位长度的旁路电导系数（绝缘层的导电系数），欧姆 j=只是个符号，指明本项有一个+90'的相位角（虚数） π=3.1416
特性阻抗之原理與應用 Characteristic Impedance 一、前題 1、導線中所傳導者為直流（D.C.）時，所受到的阻力稱為電阻（Resistance），代表符號為R，數值單位為“歐姆”（ohm,Ω）。其與電壓電流相關的歐姆定律公式為： R=V/I；另與線長及截面積有關的公式為：R=ρL/A。 2、導線中所傳導者為交流（A.C.）時，所遭遇的阻力稱為阻抗（Impedance），符號為Z，單位仍為Ω。其與電阻、感抗及容抗等相關的公式為： Z =√R2 +(XL—Xc)2 3、電路板業界中，一般脫口而出的“阻抗控制”嚴格來說并不正确，專業性的說法應為“特性阻抗控制”（Characteristic Impedance Control）才對。因為電腦類PCB線路中所“流通”的“東西”并不是電流，而是針對方波訊號或脈沖在能量上的傳導。此種“訊號”傳輸時所受到的“阻力”另稱為“特性阻抗”，代表的符號是Zo。計算公式為：Zo = √L/C ，（式中L為電感值，C為電容值），不過Zo的單位仍為歐姆。只因“特性”的原文共有五個章節，加上三個單字一并唸出時拗口繞舌十分費力。為簡化起見才把“特性”一字暫時省掉。故知俗稱的“阻抗控制”，實際上根本不是針對交流電“阻抗”所進行的“控制”。且即使要簡化掉“特性”也應說成Controlled Impedance，或阻抗匹配才不致太過外行。 圖1 PCB元件間以訊號（Signal）互傳，板面傳輸線中所遭遇的阻力稱為“特性阻抗” 二、需做特性阻抗控制的板類 電路板發展40年以來已成為電機、電子、家電、通信（含有線及無線）等硬體必備的重要元件。若純就終端產品之工作頻率，及必須阻抗匹配的觀點來分類時，所用到的電路板約可粗分為兩大類：
PCB的差分阻抗测试技术 作者: 周英航上网日期: 2006年11月10日打印版订阅 关键字：PCB电路板TDR真差分TDR特征阻抗Coupon 为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的几百Mbps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、XAUI/2XAUI、XFI的几个Gbps乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB客户对差分走线的阻抗控制要求越来越高。这使PCB生产商以及高速PCB设计人员所面临的前所未有的挑战。本文结合PCB行业公认的测试标准IPC-TM-650手册，重点讨论真差分TDR测试方法的原理以及特点。 IPC-TM-650手册以及PCB特征阻抗测试背景 IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。其中PCB板电气特性要求在第2.5节中描述，而其中的2.5.5.7a(IPC-TM-650官方网站下载链接https://www.doczj.com/doc/8b13770441.html,/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2-5-5-7a.pdf)则全面的介绍了PCB特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走线的阻抗测试。 TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求 1.TDR的基本原理 图1是一个阶跃信号在传输线(如PCB的走线)上传输时的示意图。而传输线是通过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此，传输线在此位置上是有对地的电流回路的，因
PCB特性阻抗简介 今就电子学的领域出发解译影响高频特性阻抗品质〝谐振（resonance）〞。所谓的谐振意指可发生于任一物理系统中，只要该系统具有相对形式之贮能零件。当贮存于这些零件中之能量作相互交换时，就不需再自能源取得额外之能量，而将有谐振存在。 我们都知道当驾驶一前轮不平衡之车辆时，在某些特定速率下，不平衡的轮子之振动率等于前端悬吊者之自然谐振频率，则存在在一系统中之弹簧及质量中之能量可彼此互作交换导致一大的振动及方向盘之移动，这些情形司机常见到之。 在此文中，我们将讨论在电路中之谐振特性及一些应用。电路中之谐振，要求电抗量必须能互相抵销。在一串联RLC电路中，此需电抗性电压降抵消：在一并联RLC电路中，则需电抗性电流互相抵消。 一串联电路的阻抗，为电阻值及电抗值之向量和。在一串联RLC电路中，将有一频率，在该频率下可使其电感抗及电容抗相等，此频率称为谐振频率。可使电抗值互相抵销，导致净电抗值为0，在谐振频率(f0),|XL|=|XC|。 其中所言的RLC电路即指电阻、电感、电容组件所组合而成的电子回路，所以了解何为特性阻抗之前，甚至何谓谐振频率应先就其材料特性加以了解。 就电阻而言：电阻器(resistor)在高频电路中应用甚广，但是一般对电阻特性的了解，仍多局限于电阻在直流电路中所呈现的阻尼特性。实际上，电阻在高频电路中，因受信号频率的影响，不仅电阻值会随之改变，更可能会呈现电感或电容的特性。 如图所示电阻器在高频时的等效电路，R为电阻器的电阻值，L为其两端引线的电感，C为存在于电阻器内所有杂散电容的总和。杂散电容形成的原因，随电阻器结构的不同而异。以碳粒合成电阻(carbon composite resistor)为例，由于其结构为以微小碳粒压合而成，故在各碳粒之间都存有电容。此即为等效电路中杂散电容C的来源之一。由此可以推知碳粒合成电阻的高频特性甚差。 另外就TDR测量空板上的传输线而言亦可依上述的方式解译，其中上述所提L的效应来自电阻的两端引线，同理推验可知，TDR所使用探棒的测头如接于导通孔时即产生传输路径，此输入信道愈长则L效应相对愈大，此现象将如同业先前
PCB的差分阻抗测试技术 摘要：TDR（Time Domain Reflectometry）是PCB行业检测产品的特征阻抗是否符合或达到预计要求的最主要的测试方法。随着计算机和通信系统的串行总线速度显著提高，对PCB 走线特别是差分走线的阻抗控制提出了更高的要求。 如何验证PCB中差分走线的特征阻抗是否达到设计要求成为了PCB生产商以及高速数字电路设计人员必须关注的问题。本文结合PCB行业公认的测试标IPC-TM-650手册，重点讨论真差分TDR测试方法的原理以及特点。 一、引言 为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的几百Mbps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的几个Gbps乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB客户对差分走线的阻抗控制要求越来越高。这使PCB生产商以及高速PCB设计人员所面临的前所未有的挑战。本文结合PCB行业公认的测试标准IPCTM-650手册，重点讨论真差分TDR 测试方法的原理以及特点。 二、IPC-TM-650手册以及PCB特征阻抗测试背景 IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。其中PCB板电气特性要求在第2.5节中描述，而其中的2.5.5.7a(IPCTM-650官方网站下载链接https://www.doczj.com/doc/8b13770441.html,/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2-5-5-7a.pdf)则全面的介绍了PCB特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走线的阻抗测试。 三、TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求 3.1TDR的基本原理 图1是一个阶跃信号在传输线(如PCB的走线)上传输时的示意图。而传输线是通过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此，传输线在此位置上是有对地的电流回路的，因此就有阻抗的存在。但是该阻抗只有阶跃信号自身才能“感觉到”，这就是我们所说的特征阻抗。 当传输线上出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化的地方阶跃信号就会产生反射的现象，如果将反射信号进行取样并显示在示波器的屏幕上，就会得出如图2所示的波形，从波形中我们可以看出一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化。同时我们可以比较图2中的两个波形。这是使用两台分辨率不同的TDR设备在测试同一条传输线时获得的测试结果。对于传输线阻抗变化的反映一个明显而另一个不明显。TDR设备感知传输线阻抗不连续的分辨率取决于TDR设备所发出的阶跃信号上升时间的快慢，上升时间快所获得的分辨率就高。而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽紧密相关，带宽高的测试系统有更
电路理论基础实验报告 实验十一R、L、C元件阻抗特性的测定 刘健阁指导教师杨智 中山大学信息科学与技术学院广东省广州市510006 实验时间地点： 2014年5月6日中山大学东校区实验中心C103 实验操作人： 刘健阁（学号13348073）、乐云天、雷弛 （此实验报告由刘健阁撰写，乐云天、雷弛另行独自撰写实验报告） 实验目的： 1. 验证电阻，感抗、容抗与频率的关系，测定R～f , X L～f与X C～f特性曲线。 2. 加深理解R、L、C元件端电压与电流间的相位关系。 实验原理： 1. 在正弦交变信号作用下，电阻元件R两端电压与流过的电流有关系式U=RI 在信号源频率f较低情况下，略去附加电感及分布电容的影响，电阻元件的阻值与信号源频率无关，其阻抗频率特性R～f如图11-1。 如果不计线圈本身的电阻RL，又在低频时略去电容的影响，可将电感元件视为纯电感，有关系式U L= jX L I感抗X L=2πfL 感抗随信号源频率而变，阻抗频率特性X L～f如图11-1。 在低频时略去附加电感的影响，将电容元件视为纯电容，有关系式 U C=－jX C I容抗X C=1/2πf c 容抗随信号源频率而变，阻抗频率特性X C～f如图11-1
2. 单一参数R、L、C阻抗频率特性的测试电路如图11-2所示。 图中R、L、C为被测元件，r为电流取样电阻。改变信号源频率，测量R、L元件两端电压U R、 U L、U C，流过被测元件的电流则可由r两端电压除以r得到。 3. 元件的阻抗角（即相位差φ）随输入信号的频率变化而改变，同样可用实验方法测得阻抗角的频率特性曲线φ～f。 用双踪示波器测量阻抗角（相位差）的方法： 将欲测量相位差的两个信号分别接到双踪示波器Y A和Y B两个输入端。调节示波器有关旋钮，使示波器屏幕上出现两条大小适中、稳定的波形，如图11-3所示，荧光屏上得不平方向一个周期占n格，相位差m格，则实际的相位差φ（阻抗角）为φ=m×(360/n)。 实验设备： 1. 函数信号发生器 1 2. 交流毫伏表 1 2. 双踪示波器 1 3. 实验电路元件R、L 1 DGJ-05 实验内容及步骤： 1. 测量单一参数R、L、C元件的阻抗频率特性 实验线路如图11-2所示，取R=1KΩ，L=10mH，C =1μF，r=200Ω。通过电缆线将函数信号发生器输出的正弦波信号接至输入端，作为激励源u，并用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值为U=3V，并在整个实验过程中保持不变。 改变信号源的输出频率从200Hz逐渐增至50Hz（用频率计测量），分别接通R、L、C三个元件，用交流毫伏表分别测U R、U r、U L、U r；U C、U r，并通过计算得到各频率点时的R、X L与X C之值，记入表中。
对特性阻抗的一种浅显易懂的解释 抽象又复杂的数位高速逻辑原理，与传输线中方波讯号的如何传送，以及 如何确保其讯号完整性（Signal Integrity），降低其杂讯（Noise）减少之误动 作等专业表达，若能以简单的生活实例加以说明，而非动则搬来一堆数学公式与 难懂的物理语言者，则对新手或隔行者之启迪与造福，实有事半功倍举重若轻之 受用也。 然而，众多本科专业者，甚至杏坛为师的博士教授们，不知是否尚未真正进 入情况不知其所以然？亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知，或是二者 心态兼有之！坊间大量书籍期刊文章，多半也都言不及义缺图少例，确实让人雾 里看花，看懂了反倒奇怪呢！ 笔者近来获得一份有关阻抗控制的简报资料，系电性测试之专业日商HIOKI 所提供。其内容堪称文要图简一看就懂，令人爱不释手。正是笔者长久以来所追 求的境界，大喜之下乃征得原著“问港建”公司的同意，并经由港建公司廖丰莹 副总的大力协助，以及原作者山崎浩（Hiroshi Yamazaki）及其上司金井敏彦（Toshihiko Kanai）等解惑下，得以完成此文，在此一并感谢。并欢迎所有前辈先进们，多 多慨赐类似资料嘉惠学子读者，则功在业界善莫大焉。 一 .将讯号的传输看成软管送水浇花 1.1 数位系统之多层板讯号线（Signal Line）中，当出现方波讯号的传输时，可将之假想成为软管（hose）送水浇花。 一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰 好，而让水柱的射程正确洒落在目标区时，则施与受两者皆欢而顺利完成使命， 岂非一种得心应手的小小成就？ 1.2 然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标浪费水资源，甚至 还可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!不仅任 务失败横生挫折，而且还大捅纰漏满脸豆花呢！ 1.3反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到想要的结果。 过犹不及皆非所欲，唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。 1.4 上述简单的生活细节，正可用以说明方波（Square Wave）讯号（Signal）在多层板传输线（Transmission Line，系由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行的快速传送。 此时可将传输线（常见者有同轴电缆Coaxial Cable，与微带线Microstrip Line或带线Strip Line等）看成软管，而握管处所施加的压力，就好比板面上“接受端”（Receiver） 元件所并联到Gnd的电阻器一般（是五种终端技术之一，请另见TPCA会刊第13 期“内嵌式电阻器之发展”一文之详细说明），可用以调节其终点的特性阻抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件内部的需求。 二. 传输线之终端控管技术（Termination） 2.1由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点，欲进入接受元件 （如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作时，则该讯号线本身所具备的“特 性阻抗”，必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才不致任务失 败白忙一场。用术语说就是正确执行指令，减少杂讯干扰，避免错误动作”。一
.1特性阻抗 特性阻抗也称波阻抗，是电缆的二次参数，它描述了电磁波沿均匀线路传播而没有反射时所遇到的阻抗，即线路终端匹配时，线路内任一点的电压波（U）和电流波（I）的比值。特性阻抗可以用一个复数表示，当电缆线芯的材料、直径、绝缘形式确定后，特性阻抗只随频率的变化而变化。 特性阻抗Zc为回路上任意点电压波和电流波之比并有 R、L、G、C分别为对绞回路的电阻、电感、电导、电容，虚部相位角Φ从零开始到频率f ＝800Hz时接近-45°，然后逐渐接近零。可以看出传播常数和特性阻抗Zc均与电缆的一次参数R、L、G、C有关，TIA/EIA---568---A规定5类缆的特性阻抗为100 15Ω.对于局部网布线系统来说，传输媒介具有稳定的阻抗值是很重要的，否则连接器硬件就会和电缆失配。从而引起信号反射导致传输效率下降，甚至网络无法工作。 对于高频对称电缆，由于频率增加时，集肤效应增加，使内电感减小，而外电感与频率无关，所以随频率的增加，总电感近似于外电感， 式中，r 为等效介电常数；a为绝缘线心外径；d为导体直径 由式子可以看出特性阻抗和导体类型和直径，绝缘的类型和厚度有关，在某 种程度上也与线对的绞合性能有关（因等效介电常数εr和绞合有关）。由于一般的标准中都规定了导体的直径d=24（AWG），而且从实际情况中看来，此d值也是最理想值。这样从上式看来影响特性阻抗的只有外径（外径可以看成和导线间距α相等）、组合绝缘介质的等效相对介电常数（εr）。而且，Zc正比于α和λ，反比于εr。所以只要控制好了α、λ、εr的值，也就能控制好。在实际中常用输入阻抗Zin来表述电缆的特性阻抗。其定义 式中：Z0为终端开路时的阻抗测量值；Zs为终端短路时的阻抗测量值。 3.2 回波损耗 回波损耗是数字电缆产品的一项重要指标，回波损耗合并了两种反射的影响，包括对标称阻抗（如：100Ω）的偏差以及结构影响，用于表征链路或信道的性能。它是由于电缆长度上特性阻抗的不均匀性引起的，归根到底是由于电缆结构的不均匀性所引起的。由于信号在电缆中的不同地点引起的反射，到达接收 端的信号相当于在无线信道传播中的多径效应，从而引起信号的时间扩散和频率选择性衰落，使接收端信号脉冲重叠而无法判决。信号在电缆中的多次反射也导致信号功率的衰减，导致误码率的增加，从而也限制传输速度。在生产数字缆的过程中，电缆的回波损耗指标容易出现不合格。它的表达式是 ZH为负载阻抗，ZC为波阻抗。按标准规定ZC分别为100Ω、120Ω、150Ω。减少回波损耗的方法： 1. 提高同心度 在绝缘串联生产工序，要求铜导体的直径公差在±0.002mm内，绝缘外径偏差在±0.01mm 内。同心度在96%以上，且表面光滑圆整。否则，单线在进行绞对后电缆的特性阻抗会出现超出指标要求的较大峰值。 2. 采用一定比例的“预扭”或“退扭”技术并配合使用十字型塑料骨架 采用一定比例的“预扭”或“退扭”技术可消除绝缘单线偏心对特性阻抗的影响，同时可降低绝缘单线同心度的要求。而采用十字型塑料骨架，可保持电缆结构的稳定性，使单线不均匀造成的特性阻抗的变化变得平滑，使其近端串音和回波损耗在高频时的性能相当好。 3. 采用粘连线对技术 粘连线对技术工艺指的是采用两台挤塑机、一个机头共挤，将同一线对的两根绝缘芯线同步挤出将其粘结在一起。绞对线间粘连后，可确保绞对线结构的稳定性，保持线对两根导线中心距(S)的稳定来提高线对阻抗均匀性，从而提高回波损耗指标；也可避免绝缘导体经弯曲扭绞后导体发生散芯而影响电缆的回波损耗指标。
PCB线路阻抗的特性及测试方法 1.线路的阻抗 对电池来说，当信号沿着传输线传播，并且每隔0.01纳秒对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源获得恒定的电流时，传输线看起来像一个阻抗器，并且它的阻抗值恒定，这可称为传输线路的“浪涌”阻抗(surge impedance)。 同样地，当信号沿着线路传播时，在下一步之前，0.01纳秒之内，哪一种电流能把这一步的电压提高到1伏特?这就涉及到瞬时阻抗的概念。 从电池的角度看时，如果信号以一种稳定的速度沿着传输线传播，并且传输线具有相同的横截面，那么在0.01纳秒中每前进一步需要相同的电荷量，以产生相同的信号电压。 当沿着这条线前进时，会产生同样的瞬时阻抗，这被视为传输线的一种特性，被称为特性阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同，那么该传输线可认为是可控阻抗传输线。 瞬时阻抗或特性阻抗，对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可顺利进行，但若阻抗发生变化，那会出现一些问题。 为了达到最佳信号质量，内部连接的设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定，首先必须保持传输线特性阻抗的稳定，因此，可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外，其它的方法如余线长度最短化、末端去除和整线使用，也用来保持信号传递中瞬时阻抗的稳定。 2.特性阻抗的计算 简单的特性阻抗模型：Z=V/I，Z代表信号传递过程中每一步的阻抗，V代表信号进入传输线时的电压，I代表电流。I=±Q/±t，Q代表电量，t代表每一步的时间。 电量(来源于电池)：±Q=±C×V，C代表电容，V代表电压。电容可以用传输线单位长度容量CL和信号传递速度v来推导。单位引脚的长度值当作速度，再乘以每步所需时间t，则得到公式：±C=CL×v×(±)t.综合以上各项，我们可以得出特性阻抗：Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C ×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v) 可以看出，特性阻抗跟传输线单位长度容量和信号传递速度有关。为了区别特性阻抗和实际阻抗Z，我们在Z后面加上0.传输线特性阻抗为：Z0=1/(CL×v) 如果传输线单位长度容量和信号传递速度保持不变，那么传输线特性阻抗也保持不变。这个简单的说明能将电容常识和新发现的特性阻抗理论联系在一起。如果增加传输线单位长度容量，例如加粗传输线，可降低传输线特性阻抗。
关于同轴电缆特性阻抗的测试方法 自动化工程学院 闵亚军 201421070142 摘要：特性阻抗是指当电缆无限长时电磁波沿着没有反射情况下的均匀回路传输时所遇到的阻抗，特性阻抗是射频同轴电缆传输的重要参数之一。本文主要介绍几种同轴电缆特性阻抗的常用测试方法，包括TDR(时域测试法)、史密斯图法、谐振频率法，并简单介绍其基于的原理。 关键字：同轴电缆 特性电阻 时域测试法 史密斯图法 引言 特性阻抗是指当电缆无限长时电磁波沿着没有反射情况下的均匀回路传输时所遇到的阻抗，它是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性，正常的物理运行依靠整个系统电缆与连接器具有恒定的特性阻抗。传输线匹配的条件就是线路终端的负载的阻抗正好等于该传输线的特性阻抗，此时没有能量的反射，因而有最高的传输效率，相反，传输效率会受到影响，所以特性阻抗值是整个传输回路中非常重要的一个参数。接下来将简单介绍下测试这一参数的各种方法及其所基于的原理。 一、特性阻抗 同轴电缆的特性阻抗定义为：入射电压跟入射电流的比值或者反射电压跟反射电流的比值，所以也称作波阻抗。通过传输线理论的推导 ，我们可以很容易地得到特性阻抗的公式 ： C j G L j R Z c ωω++= （1） 输人阻抗定义为从电缆的某一个方向看进去，其电压和电流的比值 。 局部特性阻抗：电缆沿线长度方向上各点的特性阻抗。 平均特性阻抗：为特性阻抗在高频时的渐进值。平均特性阻抗是沿线的所有局部特性阻抗的算术平均值。 二、常用测试方法 2.1 时域测试法 TDR(time domain reflection ，时域测试法)是一种通用的时域测试技术，广泛应用于PCB 、电缆、连接器等测试领域。这种技术可以测出传输线的特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。相对于其他技术，TDR 能够给出更多的关于系统宽带相应的信息。
同轴线特性阻抗的测量 一、前言 特性阻抗是指当电缆无限长时电磁波沿着没有反射情况下的均匀回路传输时所遇到的阻抗, 它是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性，正常的物理运行依靠整个系统电缆与连接器具有恒定的特性阻抗。传输线匹配的条件就是线路终端的负载的阻抗正好等于该传输线的特性阻抗，此时没有能量的反射，因而有最高的传输效率，相反，传输效率会受到影响，所以特性阻抗值是整个传输回路中非常重要的一个参数。 二、测试原理 特性阻抗有很多种测试方法, 我们可以采用TDR 测试法（时域测试法）、史密斯图法、谐振频率法测试同轴电缆的特性阻抗。各种测试方法存在各自的优劣，一般TDR 用于测试跳线类射频电缆，Smith Chart 常用于非跳线类；谐振频率法通常用于75同轴电缆，实际操作中可以根据具体情况选择合适的测试方法。下面通过史密斯图法来测量同轴线的特性阻抗。 Smith 圆图是反射系数（伽马，以符号Γ表示）的平面直角坐标系。反射系数也可以从数学上定义为单端口散射参数，即s11。负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。由于阻抗是复数，反射系数也是复数，反射系数的表达式定义为： Rho()=L r i j ρΓ=Γ+Γ （1） 0Z （特性阻抗）通常为常数并且是实数， 于是可以定义归一化的负载阻抗： 00 L Z R jX Z r jx Z Z +===+ （2） 据此，将反射系数的公式重新写为： 001111 L L L r i L L Z Z Z r jx j Z Z Z r jx --+-Γ=Γ+Γ===++++ （3） 为了建立圆图， 方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式（如圆或射线）。 由公式（3） 得出： 1111r i L L r i j Z r jx j +Γ+Γ+Γ=+==-Γ-Γ-Γ （4） 经过推算： 222222 12111212r i i L L r r i r r i Z r jx j -Γ-ΓΓ+Γ=+==+-Γ-Γ-Γ+Γ+Γ-Γ+Γ （5） 由此可得： 2222112r i r r i r -Γ-Γ=-Γ-Γ+Γ （6）
特性阻抗控制
2010.10.20
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Agenda
1. 何謂特性阻抗 2. 2 影響特性阻抗之因子 3. 特性阻抗之類型介紹 4. CITS25模組介紹及應用 5. Impedance Coupon設計 6. 特性阻抗測試及製程管制
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何謂特性阻抗
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PCB的演進
1. 1 傳統 PCB只是 個簡單的互連工具 PCB只是一個簡單的互連工具。 2. 隨著積體電路集成度提高和應用、電路的工作速度愈來愈快， 信號傳輸頻率和速度愈來愈高，PCB上的導線必須扮演高性 信號傳輸頻率和速度愈來愈高 PCB上的導線必須扮演高性 能的傳 輸線，將輸出端的信號完整，準確的傳送到接收器件 的輸入端。
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電阻 阻抗 特性阻抗
電阻
當導線中流通者是直流電流
流 路 流 路 1 2πfC 兩 兩 流 利 2πfL 率 兩
時，其所遭遇的阻力稱為電阻
兩 流 路
=
= ρ
阻抗
導線中流通者是低頻 或 的交流電流時，其 到的阻力稱為阻抗 ，符號為 ，其數值大與導線本身的電阻 及迴路的容抗與感抗 有關。 有關
=
+
?
特性阻抗
當傳輸線中傳送的是高頻 以上 的波動訊號時，其 到的阻力稱為特性 阻抗 ，符號為 。此種高頻傳輸線，導線本身的 電阻影響很小，系統中之電感及電容影響較大。
ZO = R +
L ≈ C
L C
5
特性阻抗之诠释与测试 白蓉生 一 . 前言 抽象又复杂的数字高速逻辑原理与传输线中方波讯号的如何传送以及如何确保其讯号完整性 Signal Integrity降低其噪声 Noise 减少之误动作等专业表达若能以简单的生活实例加以说明而非动则搬来一堆数学公式与难懂的物理语言者则对新手或隔行者之启迪与造福实有事半功倍举重若轻之受用也 然而众多本科专业者甚至杏坛为师的博士教授们不知是否尚未真正进入情况不知其所以然亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知或是二者心态兼有之坊间大量书籍期刊文章多半也都言不及义缺图少例确实让人雾里看花 看懂了反倒奇怪呢 笔者近来获得一份有关阻抗控制的演示文稿资料系电性测试之专业日商HIOKI 所提供其内容堪称文要图简一看就懂令人爱不释手正是笔者长久以来所追求的境界大喜之下乃征得原著问港建公司的同意并经由港建公司廖丰莹副总的大力协助以及原作者山崎浩 Hiroshi Yamazaki及其上司金井敏彦 Toshihiko Kanai等解惑下得以完成此文在此一并感谢并欢迎所 有前辈先进们多多慨赐类似资料嘉惠学子读者 则功在业界善莫大焉 二 .将讯号的传输看成软管送水浇花
2.1 数字系统之多层板讯号线 Signal Line中当出现方波讯号的传输时可将之假想成为软管 hose 送水浇花一端于手握处加压使其射出水柱另一端接在水龙头当握管处所施压的力道恰好而让水柱的射程正确洒落在目标区时则施与受两者皆欢而顺利完成使命 岂非一种得心应手的小小成就 2.2 然而一旦用力过度水注射程太远不但腾空越过目标浪费水资源甚至还可能因强力水压无处宣泄以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱 ! 不仅任务失败横生挫折 而且还大捅纰漏满脸豆花呢