為什么PCB上的單端阻抗控制50歐姆

　　很多剛接觸阻抗的人都會(huì )有這個(gè)疑問(wèn)，為什么常見(jiàn)的板內單端走線(xiàn)都是默認要求按照50歐姆來(lái)管控而不是40歐姆或者60歐姆?這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單但又不好回答的問(wèn)題。在寫(xiě)這篇文章前我們也查找了很多資料，其中最有知名度的是Howard Johnson, PhD關(guān)于此問(wèn)題的答復，相信很多人都有看過(guò)。

　　為什么說(shuō)不好回答呢?信號完整性問(wèn)題本身就是一個(gè)權衡取舍的問(wèn)題，所以在業(yè)內最著(zhù)名的一句話(huà)也就是："It depends……" 這就是沒(méi)有標準答案，仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智的一個(gè)問(wèn)題。今天高速先生也就這個(gè)問(wèn)題綜合各種答復來(lái)簡(jiǎn)單總結下，在此也是拋磚引玉，希望更多的人可以從各自的角度出發(fā)總結出更多相關(guān)的因素。

　　首先，50歐姆是有一定歷史淵源的，這得從標準線(xiàn)纜說(shuō)起。我們都知道近代電子技術(shù)很大一部分是來(lái)源于軍隊，慢慢的軍用轉為民用，在微波應用的初期，二次世界大戰期間，阻抗的選擇完全依賴(lài)于使用的需要。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，需要給出阻抗標準，以便在經(jīng)濟性和方便性上取得平衡。在美國，最多使用的導管是由現有的標尺竿和水管連接成的，51.5歐姆十分常見(jiàn)，但看到和用到的適配器/轉換器又是50歐姆到51.5歐姆;為聯(lián)合陸軍和海軍解決這些問(wèn)題，一個(gè)名為JAN的組織成立了，就是后來(lái)的DESC，由MIL特別發(fā)展的，綜合考慮后最終選擇了50歐姆，并且特別的導管被制造出來(lái)，并由此轉化為各種線(xiàn)纜的標準。此時(shí)歐洲標準是60歐姆，不久以后，在象Hewlett-Packard這樣在業(yè)界占統治地位的公司的影響下，歐洲人也被迫改變了，所以50歐姆最終成為業(yè)界的一個(gè)標準沿襲下來(lái)，也就變成約定俗成了，而和各種線(xiàn)纜連接的PCB，為了阻抗的匹配，最終也是按照50歐姆阻抗標準來(lái)要求了。

　　其次，從線(xiàn)路板制作可實(shí)現的角度出發(fā)，50歐姆實(shí)現起來(lái)比較方便。從前面阻抗計算公式可知，過(guò)低的阻抗需要較寬的線(xiàn)寬以及薄介質(zhì)(或較大的介電常數)，這對于目前高密板來(lái)說(shuō)空間上比較難滿(mǎn)足;過(guò)高的阻抗又需要較細的線(xiàn)寬及較厚的介質(zhì)(或較小的介電常數)，不利于EMI及串擾的抑制，同時(shí)對于多層板及從量產(chǎn)的角度來(lái)講加工的可靠性會(huì )比較差;而50歐姆在常用材料的環(huán)境下普通的線(xiàn)寬和介質(zhì)厚度(4~6mil)即符合設計要求(如下圖一阻抗計算)，又方便加工，慢慢的成為默認選擇也就不足為奇了。

　　第三，從損耗的角度出發(fā)，根據基本的物理學(xué)可以證明50歐姆阻抗趨膚效應損耗最小(摘自Howard Johnson, PhD的回復)。通常電纜的趨膚效應損耗L(以分貝做單位)和總的趨膚效應電阻R(單位長(cháng)度)除以特性阻抗Z0成正比?？偟内吥w效應電阻R是屏蔽層和中間導體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應電阻在高頻時(shí)，和它的直徑d2成反比。同軸電纜內部導體的趨膚效應電阻在高頻時(shí)，和他的直徑d1成反比?？偣驳拇?lián)電阻R，因此和(1/d2+1/d1)成正比。綜合這些因素，給定d2和相應的隔離材料的介電常數Er，可以用以下公式來(lái)使得趨膚效應損耗最小。

　　在任何關(guān)于電磁場(chǎng)和微波的基礎書(shū)中，都可以找到Z0是d2，d1和Er的函數。

　　把公式2代入公式1中，分子分母同時(shí)乘以d2,整理得到

　　從公式3分離出常數項( /60)*(1/d2),有效的項((1+d2/d1)/ln(d2/d1))來(lái)確定最小值點(diǎn)。仔細查看公式3的最小值點(diǎn)僅由d2/d1控制，和Er以及固定值d2無(wú)關(guān)。以d2/d1為參數，為L(cháng)做圖，顯示d2/d1=3.5911時(shí)，取得最小值。假定固態(tài)聚乙烯的介電常數為2.25，d2/d1=3.5911 得出特性阻抗為51.1歐姆。很久之前，無(wú)線(xiàn)電工程師為了方便使用，把這個(gè)值近似為50歐姆作為同軸電纜最優(yōu)值。這證明了在50歐姆附近，L是最小的。

　　最后，從電氣性能的角度看，50歐姆的優(yōu)勢也是綜合考慮之后的折中。單純從PCB走線(xiàn)的性能來(lái)說(shuō)，阻抗低比較好，對一個(gè)給定線(xiàn)寬的傳輸線(xiàn)，和平面距離越近，相應的EMI會(huì )減小，串擾也會(huì )因此減小，同時(shí)也不易受容性負載影響。但從全路徑的角度看，還需要考慮最關(guān)鍵的一個(gè)因素，那就是芯片的驅動(dòng)能力，早期大多數芯片驅動(dòng)不了阻抗小于50歐姆的傳輸線(xiàn)，而更高阻抗的傳輸線(xiàn)由于實(shí)現起來(lái)不便，所以折中采用了50歐姆阻抗。

　　綜上所述：50歐姆作為業(yè)界的默認值有其先天的優(yōu)勢，同時(shí)也是綜合考慮后的折中方案，但并不是說(shuō)就一定要用50歐姆阻抗了，很多時(shí)候還是取決于與之匹配的接口，如75歐姆仍然是遠程通訊的標準，一些線(xiàn)纜和天線(xiàn)都是使用的75歐姆，此時(shí)就需要與之匹配的PCB線(xiàn)路阻抗。另外還有一些特殊的芯片通過(guò)改善芯片驅動(dòng)能力，來(lái)降低傳輸線(xiàn)的阻抗，以此得到更好的抑制EMI和串擾的效果，如Intel的多數芯片要求阻抗控制在37歐姆、42歐姆甚至更低，在此不再贅述。