|
作者：winthony 傳輸線的特征阻抗，又稱為特性阻抗，是我們在進行高速電路設計的時候經常會提到的一個概念。但是很多人對這個概念并不理解，有時還會錯誤的理解為直流阻抗。弄明白這個概念對我們更好的進行高速電路設計很有必要。高速電路的很多設計規則都和特征阻抗有關。 要理解特征阻抗的概念，我們先要弄清楚什么是傳輸線。簡單的說，傳輸線就是能夠傳輸信號的連接線。電源線，視頻線，USB連接線，PCB板上的走線，都可以稱為傳輸線。如果傳輸線上傳輸的信號是低頻信號，假設是1KHz，那么信號的波長就是300公里(假設信號速度為光速)，即使傳輸線的長度有1米長，相對于信號來說還是很短的，對信號來說傳輸線可以看成短路，傳輸線對信號的影響是很小的。但是對于高速信號來說，假設信號頻率提高到300MHz，信號波長就減小到1米，這時候1米的傳輸線和信號的波長已經完全可以比較，在傳輸線上就會存在波動效應，在傳輸線上的不同點上的電壓電流就會不同。在這種情況下，我們就不能忽略傳輸線對信號造成的影響。傳輸線相對信號來說就是一段長線，我們要用長線傳輸里的理論來解決問題。 特征阻抗就屬于長線傳輸中的一個概念。信號在傳輸線中傳輸的過程中，在信號到達的一個點，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由于電場的存在，會產生一個瞬間的小電流，這個小電流在傳輸線中的每一點都存在。同時信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，這個電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區分一個概念，就是特征阻抗是對于交流信號(或者說高頻信號)來說的，對于直流信號，傳輸線有一個直流阻抗，這個值可能會遠小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線的特征阻抗就確定了.此處省略一萬字的公式推導過程，直接給出PCB走線的特征阻抗計算公式： 
其中L是單位長度傳輸線的固有電感，C是單位長度傳輸線的固有電容。肯定有人會問，什么是單位長度?是1cm，1mm，還是1mil?其實這里的單位長度是多少并不重要。單位越小精度越高，學過微積分對這個概念應該就更清楚了。通過這個簡單的計算公式我們能看出來，要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長度傳輸線的固有電感和電容。這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特征阻抗的幾個因素： a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當于增大電容，也就減小了特征阻抗，反之亦然 b. 介電常數與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數相當于增大電容 c. 傳輸線到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距離相當于減小了電容，這樣也就減小了特征阻抗，反之亦然 d. 傳輸線的長度與特征阻抗沒有關系。通過公式可以看出來L和C都是單位長度傳輸線的參數，與傳輸線的長度并沒有關系 e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號的趨膚效應，影響較其他因素小 下面簡單說說我們經常聽到的傳輸線特征阻抗是75歐姆和50歐姆。為什么是這兩個值，而不是其他值呢?這兩個數值是人們在工程實踐中選擇的。就同軸電纜來說，內外導體直徑比為1.65時導線具有最大的功率傳輸能力，這個時候對應的阻抗大約為30歐姆。但是阻抗過低引起的信號衰減比較大，考慮到電纜的衰減因素，在阻抗為77歐姆的時候衰減系數最小，所以在工程上為了方便計算，就取特征阻抗的計算值為75歐姆，能達到比較好的衰減系數減少信號衰減。如果取功率傳輸能力和衰減系數做折中考慮的話，就得到了50歐姆，這也是在工程上方便計算的取值。也就是說無論是75歐姆還是50歐姆都是人為規定的，考慮各方面因素的一個折中選擇。 在實際的PCB設計中，計算特征阻抗有很多種方法。大部分EDA設計工具都會自帶特征阻抗計算工具。另外，推薦一款Polar SI9000，這個小軟件能很方便的進行傳輸線特征阻抗的計算，包括單端走線和差分走線等等，計算精度較高，很多PCB制板廠都會用這個工具進行特征阻抗的計算。 |
