特征阻抗那點(diǎn)事

　　傳輸線(xiàn)的特征阻抗，又稱(chēng)為特性阻抗，是我們在進(jìn)行高速電路設計的時(shí)候經(jīng)常會(huì )提到的一個(gè)概念。但是很多人對這個(gè)概念并不理解，有時(shí)還會(huì )錯誤的理解為直流阻抗。弄明白這個(gè)概念對我們更好的進(jìn)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(guān)。

　　要理解特征阻抗的概念，我們先要弄清楚什么是傳輸線(xiàn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，傳輸線(xiàn)就是能夠傳輸信號的連接線(xiàn)。電源線(xiàn)，視頻線(xiàn)，USB連接線(xiàn)，PCB板上的走線(xiàn)，都可以稱(chēng)為傳輸線(xiàn)。如果傳輸線(xiàn)上傳輸的信號是低頻信號，假設是1KHz，那么信號的波長(cháng)就是300公里(假設信號速度為光速)，即使傳輸線(xiàn)的長(cháng)度有1米長(cháng)，相對于信號來(lái)說(shuō)還是很短的，對信號來(lái)說(shuō)傳輸線(xiàn)可以看成短路，傳輸線(xiàn)對信號的影響是很小的。但是對于高速信號來(lái)說(shuō)，假設信號頻率提高到300MHz，信號波長(cháng)就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線(xiàn)和信號的波長(cháng)已經(jīng)完全可以比較，在傳輸線(xiàn)上就會(huì )存在波動(dòng)效應，在傳輸線(xiàn)上的不同點(diǎn)上的電壓電流就會(huì )不同。在這種情況下，我們就不能忽略傳輸線(xiàn)對信號造成的影響。傳輸線(xiàn)相對信號來(lái)說(shuō)就是一段長(cháng)線(xiàn)，我們要用長(cháng)線(xiàn)傳輸里的理論來(lái)解決問(wèn)題。

　　特征阻抗就屬于長(cháng)線(xiàn)傳輸中的一個(gè)概念。信號在傳輸線(xiàn)中傳輸的過(guò)程中，在信號到達的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線(xiàn)和參考平面之間會(huì )形成電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的存在，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線(xiàn)中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過(guò)程中，傳輸線(xiàn)的每一點(diǎn)就會(huì )等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線(xiàn)的特征阻抗。這里一定要區分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對于交流信號(或者說(shuō)高頻信號)來(lái)說(shuō)的，對于直流信號，傳輸線(xiàn)有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì )遠小于傳輸線(xiàn)的特征阻抗。一旦傳輸線(xiàn)的特性確定了(線(xiàn)寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線(xiàn)的特征阻抗就確定了.此處省略一萬(wàn)字的公式推導過(guò)程，直接給出PCB走線(xiàn)的特征阻抗計算公式：

　　其中L是單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的固有電感，C是單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的固有電容?？隙ㄓ腥藭?huì )問(wèn)，什么是單位長(cháng)度?是1cm，1mm，還是1mil?其實(shí)這里的單位長(cháng)度是多少并不重要。單位越小精度越高，學(xué)過(guò)微積分對這個(gè)概念應該就更清楚了。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的計算公式我們能看出來(lái)，要改變傳輸線(xiàn)的特征阻抗就要改變單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的固有電感和電容。這樣我們就能更好的理解影響傳輸線(xiàn)特征阻抗的幾個(gè)因素：

　　a. 線(xiàn)寬與特征阻抗成反比。增加線(xiàn)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(xiàn)到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線(xiàn)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(xiàn)的長(cháng)度與特征阻抗沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)公式可以看出來(lái)L和C都是單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的參數，與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度并沒(méi)有關(guān)系

　　e. 線(xiàn)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(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)我們經(jīng)常聽(tīng)到的傳輸線(xiàn)特征阻抗是75歐姆和50歐姆。為什么是這兩個(gè)值，而不是其他值呢?這兩個(gè)數值是人們在工程實(shí)踐中選擇的。就同軸電纜來(lái)說(shuō)，內外導體直徑比為1.65時(shí)導線(xiàn)具有最大的功率傳輸能力，這個(gè)時(shí)候對應的阻抗大約為30歐姆。但是阻抗過(guò)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(shí)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(huà)，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(shuō)無(wú)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(gè)折中選擇。

　　在實(shí)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(huì )自帶特征阻抗計算工具。另外，推薦一款Polar SI9000，這個(gè)小軟件能很方便的進(jìn)行傳輸線(xiàn)特征阻抗的計算，包括單端走線(xiàn)和差分走線(xiàn)等等，計算精度較高，很多PCB制板廠(chǎng)都會(huì )用這個(gè)工具進(jìn)行特征阻抗的計算。