PCB阻抗测量技术

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，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3 PCB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），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5 PCB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7 86100D采样示波器和54754A TDR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，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。自己制作时需要注意地线的连接，制作单端探头时地线与信号针之间形成的环路面积尽量小；制作差分探头时两根信号针之间的环路面积尽量小。同轴电缆中间的信号线一般较粗，制作时需要用锉刀把信号线挫细成针，有利于探测。

图9 自制的差分TDR探头

当然最好还是用与仪器配套的探头，如图10所示的N1021B差分TDR探头可以用于传统的基于采样示波器86100D的TDR仪器，也可以用于基于网络分析仪E5071C的ENA-TDR。N1021B的典型指标是：带宽>18GHz，可变探针间距范围0.5mm～2.54mm。

图10 N1021B差分TDR探头

基于采样示波器的TDR测量原理

时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是利用时域反射的原理进行特性阻抗的测量。图1是TDR工作原理图。

图11 时域反射计TDR工作原理

TDR包括三部分组成：

1）快沿信号发生器：典型的发射信号的特征是：幅度200mv，上升时间35ps，频率250KHz 方波。

2）采样示波器：通用的采样示波器；

3）探头系统：连接被测件和TDR仪器。

4）测试信号的运行特征参考图2所示。图3是计算被测传输线特征阻抗的计算公式。