关于PCB阻抗的那些事儿

线路的特性阻抗是沿线路传播的波前所看到的阻抗。驱动器、传输线和负载之间的阻抗不匹配会引起反射，这些反射会在数字信号上表现为过冲和振铃。PCB走线相对于其接地返回平面的几何形状将决定其特性阻抗。微带线 - 位于接地（GND）平面或电源平面上方的PCB走线。其宽度、介质厚度和介质类型决定了特性阻抗。

频率 < 100MHz，上升时间 > 1ns

对于这类应用，我们不需要使用受控介电材料（FR4类型即可）。我们也不需要为了获得50Ω阻抗而特别选择走线厚度。然而，正确的端接是非常重要的。

下图展示了通过PCB传输线传输数字信号的一些基本理论。当信号路径中存在阻抗不匹配时，传输线上会发生反射。为了避免反射，驱动器的阻抗必须与PCB走线阻抗和负载阻抗匹配。

通常，负载是门电路的输入，其阻抗实际上为无穷大，因此总是会发生全反射。驱动器具有内部阻抗Rd和外部端接电阻Rterm。外部端接电阻用于匹配PCB走线阻抗。如果Rd + Rterm与PCB走线阻抗匹配，则传递给负载的信号不会出现过冲或下冲。如果Rd + Rterm小于走线阻抗，则会出现过冲；如果大于走线阻抗，则会出现下冲。

“反射图”是一种用于计算传输线反射的方法，以便我们可以预测传递给负载的波形。让我们以一个存在过冲的系统为例，来绘制一个反射图。在此示例中，向传输线施加5V阶跃信号，且Rd + Rterm为20欧姆。

在驱动器端计算的反射系数γ为-0.429，在接收器端为1.0。接收器端的反射系数通常为1.0，因为其实际上相当于开路，会完全反射波形。当首次施加5V阶跃信号时，会在驱动器阻抗和走线阻抗之间形成一个分压器，使得PCB走线上的信号为3.75V。根据走线长度，信号需要一段时间才能到达接收器。

当信号到达接收器时，会发生100%的反射，接收器端初始看到的信号为7.14V。反射信号返回驱动器端，由于阻抗不匹配，会以-0.429的反射系数再次反射。这个反射信号再次返回接收器，导致信号下降到4.08V。

这个过程会持续进行，您会看到所示的输出波形。如果使用匹配阻抗进行相同的计算，则不会看到任何过冲。如果使用非常大的端接电阻，则会看到下冲。现在，让我们来看一个简单的计算器，它可以自动进行这种计算。

下图展示了如何使用模拟工程师计算器来预测反射。在此示例中，输入了长度、介电常数和介质厚度。同时，还提供了信号频率、幅度和端接阻抗，用于预测反射。调整计算器的参数是一种快速且简单的方法，可以帮助我们直观地了解传输线的工作原理。在此示例中，我们使用计算器，并根据实际PCB板的规格进行了测量实验。可以看到，测量结果与预测结果非常相似，但并不完全匹配。接下来我们将总结多个与调整端接阻抗相关的实验。

下图展示了对传输线的测量结果，其中端接电阻在一个较大范围内进行了调整。测试电路的原理图位于使用74LVC1G34门电路作为发射器和接收器。一条线（称为干扰线）由3.3V、10MHz的方波驱动。另一条线（称为受害线）由逻辑低电平驱动。干扰线会在受害线上引起串扰。在本实验中，我们将观察两条走线之间的过冲和串扰。

理论上，当端接电阻加上驱动器阻抗等于走线阻抗时，过冲应为零。该走线的计算阻抗约为66欧姆。假设驱动器阻抗为10欧姆，则端接电阻应为56欧姆。通过观察示波器波形，可以看到，当端接电阻为零欧姆时，存在大量的过冲和振铃。

50欧姆的端接电阻具有非常快的上升时间，但没有显著的过冲。100欧姆的端接电阻具有较慢的上升时间。图表总结了在大范围端接电阻下的实验结果。实验结果表明，计算得出的走线阻抗大致正确，因为50欧姆的端接电阻产生了最佳结果。

之前我们提到，在射频（RF）系统中，上升时间非常重要，因为它决定了方波会产生多少高频噪声。端接电阻将直接影响信号的上升时间。对于较小的端接电阻，信号会快速上升，并且会出现过冲和振铃。对于这个电路，零欧姆阻抗的上升时间约为1纳秒。当端接电阻与特性阻抗良好匹配时，上升时间也会很快，但不会出现过冲和振铃。对于这个电路，50欧姆阻抗的上升时间约为2纳秒。对于非常大的阻抗，下冲会降低上升时间。在这种情况下，100欧姆阻抗的上升时间为6纳秒。

下图是上升时间与射频辐射之间的关系，是使用射频嗅探探针测量的辐射发射情况。下图所示电路的发射情况分别在0欧姆、50欧姆和100欧姆端接电阻下进行了测量。增加端接电阻会增加上升时间，从而降低射频辐射。

在0欧姆、50欧姆和100欧姆端接电阻下，上升时间分别为1纳秒、2.2纳秒和6纳秒。对于1纳秒的上升时间，噪声峰值为-15dBm。对于2.2纳秒的上升时间，噪声降低至-20dBm，而对于6纳秒的上升时间，噪声进一步降低至-35dBm。因此，仅通过改变端接电阻，就使整体噪声降低了20dB，即降低了10倍。

关于端接阻抗，最后还有一点需要考虑。为了获得最佳效果，端接阻抗应靠近驱动器放置。目标是匹配门电路输出端的阻抗不连续性，而不是传输线末端的阻抗。请记住，接收器是高阻抗的，因此将端接串联在开路电路中并没有帮助。

在这个实验中，我们比较了当端接放置在传输线的正确一侧和错误一侧时的过冲和振铃情况。测量结果显示，将端接放置在传输线的错误一侧会使过冲增加一倍以上。因此，请务必小心，将端接放置在靠近驱动器的位置。

Tips：一些关于阻抗匹配常见的问题及回答

1、为什么端接电阻太小产生大的过冲和振铃？

回答：在信号传输过程中，当信号感受到阻抗的变化时，就会发生信号的反射。端接电阻的主要作用之一是进行阻抗匹配，以减少或消除这种反射。如果端接电阻太小，它就无法有效地匹配信号源和传输线之间的阻抗，从而导致信号在传输过程中遇到阻抗不连续的地方时发生反射。反射信号可能会与原信号叠加在一起，形成衰减、畸变等现象。当反射信号与原信号叠加时，可能会导致信号的电平在短时间内超过其稳态值，产生过冲现象。此外，如果阻抗不匹配的点不止一个，信号则会在多个点之间来回反射，形成振铃现象。振铃表现为输出信号在过冲之后并不立即稳定下来，而是像钟摆一样来回摆动若干个周期，直至逐渐衰减至最终稳态值。

2、为什么端接电阻不可以放置在传输线上的任何位置以进行阻抗匹配？

回答：阻抗匹配的目的是减少或消除信号在传输过程中的反射，确保信号能够稳定、高效地传输。通过阻抗匹配，可以使信号源、传输线和负载之间的阻抗保持一致，从而避免信号在遇到阻抗不连续点时发生反射。端接电阻是实现阻抗匹配的重要手段之一。它通过改变传输线末端的阻抗，使其与信号源或负载的阻抗相匹配，从而减少反射。如果将端接电阻放置在传输线的中间位置，它无法有效地改变信号源或负载的阻抗，因此无法实现阻抗匹配。此外，端接电阻的放置位置还会影响信号的传输质量和效率。例如，如果端接电阻放置得离信号源或负载太远，信号在传输过程中可能会遇到多个阻抗不连续点，导致反射和信号失真。