特征阻抗那點(diǎn)事

　　傳輸線的特征阻抗，又稱為特性阻抗，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。簡單的說，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)的波長就是300公里(假設(shè)信號(hào)速度為光速)，即使傳輸線的長度有1米長，相對(duì)于信號(hào)來說還是很短的，對(duì)信號(hào)來說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)來說，假設(shè)信號(hào)頻率提高到300MHz，信號(hào)波長就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線和信號(hào)的波長已經(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(gè)概念。信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^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，由于電場的存在，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)(或者說高頻信號(hào))來說的，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.此處省略一萬字的公式推導(dǎo)過程，直接給出PCB走線的特征阻抗計(jì)算公式：

　　其中L是單位長度傳輸線的固有電感，C是單位長度傳輸線的固有電容?？隙ㄓ腥藭?huì)問，什么是單位長度?是1cm，1mm，還是1mil?其實(shí)這里的單位長度是多少并不重要。單位越小精度越高，學(xué)過微積分對(duì)這個(gè)概念應(yīng)該就更清楚了。通過這個(gè)簡單的計(jì)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(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. 傳輸線的長度與特征阻抗沒有關(guān)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(shù)，與傳輸線的長度并沒有關(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

　　下面簡單說說我們經(jīng)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(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。就同軸電纜來說，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。也就是說無論是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。