3. 传输线理论（下）：TDR 原理、微带线与带状线、差分阻抗

上一讲我们把传输线的频域参数聊透了。这一讲咱们换个视角，从时域看传输线。说白了，就是给传输线“拍个CT”，看看它哪里堵了、哪里破了。这个“CT机”就是时域反射计——TDR。

3.1 时域反射计（TDR）原理

TDR 的原理其实特别朴素。你对着山谷喊一声，回声传回来需要时间，而且回声的大小能告诉你对面是峭壁还是树林。TDR 干的事一模一样——它往传输线里发射一个快速上升沿的阶跃信号，然后盯着反射波回来。

我刚开始用 TDR 时犯过一个低级错误。当时测一根 50Ω 的微带线，看到反射波形有个小凸起，以为是阻抗不连续。折腾了半天，结果是探头的接地弹簧没压好。嗯，这里要注意：TDR 的测量精度很大程度上取决于你的参考平面是否干净。

TDR 能告诉我们什么？

• 阻抗大小：反射波幅度直接告诉你阻抗是偏大还是偏小。
• 故障位置：反射波回来的时间乘以光速的一半，就是故障点的距离。
• 不连续类型：上升沿反射是感性，下降沿反射是容性。

你想想看，TDR 的上升时间决定了它能分辨多小的不连续。上升时间越快，空间分辨率越高。一般 35ps 的 TDR 能分辨约 5mm 的不连续点。我做过一个 28Gbps 的项目，必须用 15ps 的 TDR 才能看清过孔的阻抗塌陷。

3.2 微带线与带状线

PCB 上最常见的两种传输线结构。微带线在表层，一面是介质一面是空气。带状线在内层，上下都是介质。

参数	微带线	带状线
结构	表层走线，参考层在下	内层走线，上下都有参考层
阻抗范围	40-120Ω 较易实现	50-80Ω 较常见
串扰	较大（空气耦合强）	较小（介质屏蔽好）
损耗	较低（部分场在空气中）	较高（全在介质中）
加工难度	低，阻抗控制容易	高，层压对准要求高

我记得有个项目，客户要求所有高速信号走内层，说是抗干扰。结果 10Gbps 的信号跑 15 英寸就眼图闭合了。为什么？带状线的损耗比微带线大，而且内层没法用铜箔加厚。后来我建议把关键时钟改到表层微带线，问题就解决了。

阻抗计算经验公式

虽然现在都用 Polar SI9000 或 HyperLynx 算阻抗，但手算能帮你快速判断趋势：

微带线特性阻抗（近似）：
Z0 ≈ 87 / sqrt(εr + 1.41) * ln(5.98 * H / (0.8 * W + T))

带状线特性阻抗（近似）：
Z0 ≈ 60 / sqrt(εr) * ln(4 * H / (0.67 * π * W * (1 + T/H)))

其中：
H = 介质厚度
W = 线宽
T = 铜厚
εr = 介电常数

这里有个细节：微带线的有效介电常数 ε_reff 介于空气和介质之间，所以信号在微带线上的传播速度比带状线快。我测过，同样长度的线，微带线比带状线快约 10%。做等长匹配时别忘了这个差异。

3.3 差分阻抗

差分信号现在太常见了——USB、HDMI、PCIe、以太网，全是差分。差分阻抗不是简单的单端阻抗乘以 2，它跟线间距有强耦合关系。

说白了，差分阻抗取决于两根线之间的耦合程度。耦合越紧（间距越小），Z_odd 越小，差分阻抗也越小。我做过一个设计，为了省面积把差分对间距从 8mil 缩到 5mil，结果差分阻抗从 100Ω 掉到了 85Ω。眼图直接塌了。

差分阻抗设计要点

1. 线宽线距协同调整：先定线宽，再调线距达到目标差分阻抗。
2. 参考层连续性：差分对下方必须有完整的参考平面，跨分割是大忌。
3. 等长匹配：对内等长控制在 5mil 以内，否则共模噪声会增大。
4. 过孔对称性：差分过孔必须成对出现，且过孔 stub 要尽量短。

你想想看，差分信号的好处不只是抗干扰。它的回流路径很干净——一根线的回流就是另一根线。所以差分对可以不需要紧贴参考层，这在一些层数紧张的板子上很实用。

3.4 本章知识体系

下面这张图把本章的核心逻辑串起来了。从 TDR 测量出发，到两种传输线结构，再到差分阻抗的设计闭环。

这张图把 TDR、传输线结构、差分阻抗串成了一个闭环。你从 TDR 测量入手，发现阻抗不连续，然后判断是微带线还是带状线的问题，再调整差分对参数，最后用 TDR 验证。这就是我平时做 SI 调试的标准流程。