特征阻抗那點(diǎn)事

　　傳輸線的特征阻抗，又稱(chēng)為特性阻抗，是我們?cè)谶M(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)概念。但是很多人對(duì)這個(gè)概念并不理解，有時(shí)還會(huì)錯(cuò)誤的理解為直流阻抗。弄明白這個(gè)概念對(duì)我們更好的進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)很有必要。高速電路的很多設(shè)計(jì)規(guī)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。簡(jiǎn)單的說(shuō)，傳輸線就是能夠傳輸信號(hào)的連接線。電源線，視頻線，USB連接線，PCB板上的走線，都可以稱(chēng)為傳輸線。如果傳輸線上傳輸?shù)男盘?hào)是低頻信號(hào)，假設(shè)是1KHz，那么信號(hào)的波長(zhǎng)就是300公里(假設(shè)信號(hào)速度為光速)，即使傳輸線的長(zhǎng)度有1米長(zhǎng)，相對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)還是很短的，對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)傳輸線可以看成短路，傳輸線對(duì)信號(hào)的影響是很小的。但是對(duì)于高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，假設(shè)信號(hào)頻率提高到300MHz，信號(hào)波長(zhǎng)就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線和信號(hào)的波長(zhǎng)已經(jīng)完全可以比較，在傳輸線上就會(huì)存在波動(dòng)效應(yīng)，在傳輸線上的不同點(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對(duì)信號(hào)造成的影響。傳輸線相對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)就是一段長(zhǎng)線，我們要用長(zhǎng)線傳輸里的理論來(lái)解決問(wèn)題。

　　特征阻抗就屬于長(zhǎng)線傳輸中的一個(gè)概念。信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^(guò)程中，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會(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)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓，這樣在信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸線的每一點(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的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對(duì)于交流信號(hào)(或者說(shuō)高頻信號(hào))來(lái)說(shuō)的，對(duì)于直流信號(hào)，傳輸線有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì)遠(yuǎn)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(wàn)字的公式推導(dǎo)過(guò)程，直接給出PCB走線的特征阻抗計(jì)算公式：

　　其中L是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感，C是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電容。肯定有人會(huì)問(wèn)，什么是單位長(zhǎng)度?是1cm，1mm，還是1mil?其實(shí)這里的單位長(zhǎng)度是多少并不重要。單位越小精度越高，學(xué)過(guò)微積分對(duì)這個(gè)概念應(yīng)該就更清楚了。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式我們能看出來(lái)，要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長(zhǎng)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(gè)因素：

　　a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當(dāng)于增大電容，也就減小了特征阻抗，反之亦然

　　b. 介電常數(shù)與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數(shù)相當(dāng)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(dāng)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(zhǎng)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(zhǎng)度傳輸線的參數(shù)，與傳輸線的長(zhǎng)度并沒(méi)有關(guān)系

　　e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，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(shù)值是人們?cè)诠こ虒?shí)踐中選擇的。就同軸電纜來(lái)說(shuō)，內(nèi)外導(dǎo)體直徑比為1.65時(shí)導(dǎo)線具有最大的功率傳輸能力，這個(gè)時(shí)候?qū)?yīng)的阻抗大約為30歐姆。但是阻抗過(guò)低引起的信號(hào)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(shù)最小，所以在工程上為了方便計(jì)算，就取特征阻抗的計(jì)算值為75歐姆，能達(dá)到比較好的衰減系數(shù)減少信號(hào)衰減。如果取功率傳輸能力和衰減系數(shù)做折中考慮的話，就得到了50歐姆，這也是在工程上方便計(jì)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(guī)定的，考慮各方面因素的一個(gè)折中選擇。

　　在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，計(jì)算特征阻抗有很多種方法。大部分EDA設(shè)計(jì)工具都會(huì)自帶特征阻抗計(jì)算工具。另外，推薦一款Polar SI9000，這個(gè)小軟件能很方便的進(jìn)行傳輸線特征阻抗的計(jì)算，包括單端走線和差分走線等等，計(jì)算精度較高，很多PCB制板廠都會(huì)用這個(gè)工具進(jìn)行特征阻抗的計(jì)算。