特性阻抗之原理与应用

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：

1、高速邏輯類：

早期資訊工業（Information Technology Industry）在作業速度還不是很快時，電路板只是一種方便零件組裝與導通互連（Interconnection ）的載板或基地而已。故板中布線完全以導電為著眼點主，設計與品管上只要具備直流電與交流電的觀點即可。

近年來板面元件之間的線路，在數位式訊號（Digital Signal）傳遞速度日漸增快之下，板中的布線還應將與電磁波（Electromagnetic Wave）有關的方波傳播（Propagation）觀念納入才是。于是原來簡單的導線，逐漸轉變成高頻類（又稱射頻R.F.）與高速（又稱邏輯頻率L.F.）用途的復雜傳輸線（Transmission Line）了。

此種傳輸線在品質上要比傳統導線嚴格很多。不再是Open/Short測試過關，或缺口與毛頭未超過線寬的20%，就能“允收”（Accepted）的事。必須要求所測到的“特性阻抗”（Characteristic Impedance）值，也應控制在公差之內才能出貨，否則只有報廢一途根本無法“重工”（Rework）挽救。是以“特性阻抗控制”已成為“高速邏輯線路板”類的重要品何項目。國內PC上下流游業者早已成為世界重鎮，執全球量產之牛耳，對這方面的技術當然不能掉以輕心。

圖2 以某八層板為例，L1/L8均用以安裝

零件，已無多余空間布置線路。因而其訊

號線分列在2、3、6、7層中，另以L4/L5

為電壓層與接地層，其中L2/L3之線路互

相垂直，故均可對L4分別組成微條線

（Micro strip）的形態。另L7/L8也可對應

L5構成另二組微條線。其等可分別利用

TDR的兩支探針進行測試

2、高頻類比通信類：

所謂高頻或“射頻”（Radio Frequency簡稱RF）級的電子產品，是指與無線電之電磁波有關，而是以類比式正弦波傳播的產品，如雷達、電視、廣播、大哥大、微波、光織通信等。

由于國內業界多年來一直專注在個人電腦，及相關產品領域中努力發展，甚少涉足于RF範疇。且RF所用到的板量（按面積計算）也不是很大，加以外國同業采高品級之寡占高單價方式保護，致使本地PCB生產者難以入門，且興趣不高。多年來在此等特殊板材（如PTFE或其他高功能板材）與阻抗控制技術方面，幾乎交了白卷。如今大哥大二哥大之流行充斥，而光織通信又將大行其道之際，國內下游系統業者即因起步太晚經驗不足，竟然無法掌握大好商機，平白放棄半壁江山實在可惜。

3、兩類電路板在特性方面的比較：

現將電腦邏輯與射頻通信兩類PCB之特性比較如下：

表1 兩類傳輸線的特性比較

圖3 常見的四種傳輸線（Transmission Line），其工作中之電力線與磁力線的關系上述與“傳輸線”有關的兩類板子，其設計觀念與品質規格，早已不是簡單傳導電流“配線板之所能比擬。必須將各種不同的電學觀念分別納入應用，遵守其應有的原理與公式，方能對PCB之阻抗匹配，從技術原理與品質改善上對症下藥達到要求。所應具備的背景有：

①直流電流（DC）的傳導學理。

②交流電流（AC）的傳導學理。

③方波式（Square Wave）邏輯訊號（Logic Signal）的傳輸與傳播觀念。

④正弦波訊號（Sine Wave Signal）的傳輸與傳播觀念。

圖4 如導線中有直流電（DC）通過時，四周會產生磁場，此即為“單一導線左手定則”之電流方向與磁場方向之關系圖

三、數位化與電子訊號

常用十進位的數字與運算，不易利用電子訊號予以表達。一旦改成0與此同時的二進位法時，

即可采用“電壓”對“時間”所形成的“時域”（Time Domain），以方波（脈衝）形成進行組合與運算，此即為“數位化”的源起。現在5、23、123等三組常見的數字，試行轉換成方波式電子訊號，并對其相關知識簡要說明如下：

圖5 時域反射儀（TDR）探測板面線路的“特性阻抗值”，頗類似雷達的原理，即對待測線路發射一種“梯階波”（Step Wave），之後即不斷的將線路情況逐點馳返回報，因而構成“阻值”

大小不同的波形，并一一對映線寬的變化

1、先將十進位數字被動連續去除，直到商數為整數1時，即可得到多次“1”或“0”等不同余數。

2、將各次余數自右向在排列成二進位的數串，并將左前不足“位元組”的空位處（即虛線者）另補以0，即成為二進位式數列。

3、例如常見的個位數“5”可轉換成“0101”，常見十位數“23”即可變成“00010111”，常見百位數“123”可換為“01111011”等。