信号完整性基础：瞬态阻抗与特性阻抗图解
信号完整性基础：瞬态阻抗与特性阻抗图解
在高速数字系统设计中，信号完整性是一个至关重要的考量因素。其中，瞬态阻抗和特性阻抗是两个核心概念，它们直接影响着信号的传输质量和系统的整体性能。本文将通过理论解释、公式推导和类比分析等方式，深入浅出地阐述这两个概念的定义、计算方法及其在电路设计中的应用。
瞬态阻抗（Transient Impedance）
瞬态阻抗是指在传输线上的瞬时电阻抗，通常随着时间的变化而变化。它描述了信号在传输线上传播时的阻抗变化情况。瞬态阻抗通常用于描述信号的上升（rise）和下降（fall）边缘，以及它们与传输线之间的相互作用。
特性阻抗（Characteristic Impedance）
特性阻抗是指传输线或电缆本身的固有阻抗，通常是一个恒定的值。它与传输线的几何形状、介质特性以及信号传播速度等因素有关。特性阻抗在信号完整性中起到重要作用，因为它决定了信号在传输线上的反射和阻抗匹配情况。
瞬态阻抗
瞬态阻抗是指信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关。举例来说，如果信号在传输线上的每一点感受到的阻抗都相同，那么我们就说传输线阻抗连续；反之，如果信号在传输线上感受到了阻抗变化，则说明传输线阻抗不连续。
当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关，可表示为：
如果PCB上线条的厚度和宽度不变，并且走线和返回平面间距离不变，那么信号感受到的瞬态阻抗就不变，传输线是均匀的。对于均匀传输线，恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性，称为特性阻抗。
特性阻抗
对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时，我们将其称为特性阻抗。传输线的特性阻抗Z0定义为线上任意点的电压和电流的比值，即Z0=V/I. 由电报方程可以推导出阻抗的经典计算公式：
如果PCB上线条的厚度增大或者宽度增加，单位长度电容增加，特性阻抗就变小。同样，走线和返回平面间距离减小，电容增大，特性阻抗也减小。其中，R、L、G、C分别表示单位长度的电阻、电感、电导和电容。通常，因为R和G都比其他项要小得多而忽略不计，特征阻抗近似为
特性阻抗可以用来描述信号在传输线上传输时的传输特性，如果传输线的特性阻抗与信号的特性阻抗相等，则信号在传输线上的传输损耗最小，传输效率最高。
重要推导之一：50 欧姆阻抗的计算由来
由特性阻抗的公式，可以看出只要传输线的横截面和材料特性这两个参数保持不变，信号受到的瞬态阻抗就是一个常数。由于信号的的速度取决于材料特性，所以，可以得出传输线单位长度电容和瞬态阻抗的关系。例如，若介电常数为4，单位长度电容为3.3pf/in，则传输线的瞬态阻抗为，
重要推导之二：自由空间的特性阻抗
一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗，也叫自由空间的波阻抗，在EMC中非常重要。自由空间特性阻抗为 。
重要推导之三：单位长度电容与单位长度电感
FR4板材的PCB板上， 特性阻抗传输线另一个特性是：
单位长度电容=3.3pF/in
单位长度电感=8.3nH/i
解这些特殊的特性阻抗，对于设计电路板有重要的参考意义，能让我们在制作电路前有个直觉的认识。
类比分析
为了深入浅出地理解瞬态阻抗与特性阻抗之间的关系，可以将其类比为水管系统：
想象一下，你有一根水管，水要从一端流向另一端。这根水管就好比传输线路，而水就好比电流。我们将用这个类比来说明瞬态阻抗和特性阻抗的概念：
特性阻抗就像水管本身的材质和大小。不同类型的水管（比如，铜管和塑料管）有不同的特性阻抗。这些特性阻抗决定了水在管内流动时的速度和阻力。
当你将两根不同特性阻抗的水管连接在一起时，水会在它们之间发生变化。如果特性阻抗匹配得好，水就能够平稳地从一根水管流向另一根，不会发生反射或损失。
特性阻抗就像水管的内径和材质，它们是水在管内流动时的固有属性，不随时间变化。
现在，想象你在水管中快速地开关一个阀门，让水流开始或停止。这个瞬间，水在管内会发生瞬态变化。这种瞬时变化就好比瞬态阻抗。
瞬态阻抗描述的是在水流开始或停止时，水在管内的急剧变化。这会导致水流的快速上升或下降，就像电信号的上升或下降边沿一样。
正如水流的急剧变化会受到管道内部和外部条件的影响，电信号的瞬态阻抗也受到传输线路和连接器等因素的影响。
二者的关系：
在这个类比中，特性阻抗类似于水管的属性，而瞬态阻抗类似于水流的瞬时变化。特性阻抗决定了电信号在传输线路中的传播速度和反射情况，就像水管的大小和材质影响水的流动一样。而瞬态阻抗则描述了电信号的变化速度，就像水流在阀门开关时会急剧变化一样。
在高速数字系统中，了解和管理特性阻抗和瞬态阻抗对于确保信号完整性至关重要，就像在水管系统中管理水流一样。匹配特性阻抗和控制瞬态阻抗可以减少信号的反射和失真，从而提高系统性能。
本文原文来自CSDN博客