為什么PCB上的單端阻抗控制50歐姆

一博科技 · 發(fā)表于 2016-1-21 16:52:21

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(nèi)單端走線都是默認(rèn)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(fù)，，相信很多人都有看過(guò)。

為什么說(shuō)不好回答呢？信號(hào)完整性問(wèn)題本身就是一個(gè)權(quán)衡取舍的問(wèn)題，所以在業(yè)內(nèi)最著名的一句話也就是：“It depends……”這就是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)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(fù)來(lái)簡(jiǎn)單總結(jié)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)線纜說(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(duì)，慢慢的軍用轉(zhuǎn)為民用，在微波應(yīng)用的初期，二次世界大戰(zhàn)期間，阻抗的選擇完全依賴于使用的需要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要給出阻抗標(biāo) 準(zhǔn)，以便在經(jīng)濟(jì)性和方便性上取得平衡。在美國(guó)，最多使用的導(dǎo)管是由現(xiàn)有的標(biāo)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(zhuǎn)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(dǎo)管被制造出來(lái)，并由此轉(zhuǎn)化為各種線纜的標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)歐洲標(biāo)準(zhǔn)是60歐姆，不久以后，在象Hewlett-Packard這樣在業(yè)界占統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)沿襲下來(lái)，也就變成約定俗成了，而和各種線纜連接的PCB，為了阻抗的匹配，最終也是按照50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求了。

其次，從加工可實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，50歐姆實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。從前面阻抗計(jì)算公式可知，過(guò)低的阻抗需要較寬的線寬以及薄介質(zhì)（或較大的介電常數(shù)），這對(duì)于目前高密板來(lái)說(shuō)空間上比較難滿足；過(guò)高的阻抗又需要較細(xì)的線寬及較厚的介質(zhì)（或較小的介電常數(shù)），不利于EMI及串?dāng)_的抑制，同時(shí)對(duì)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)境下普通的線寬和介質(zhì)厚度（4~6mil）即符合設(shè)計(jì)要求（如下圖一阻抗計(jì)算），又方便加工，慢慢的成為默認(rèn)選擇也就不足為奇了。

圖一  阻抗計(jì)算
第三，從損耗的角度出發(fā)，根據(jù)基本的物理學(xué)可以證明50歐姆阻抗趨膚效應(yīng)損耗最小（摘自Howard Johnson, PhD的回復(fù)）。通常電纜的趨膚效應(yīng)損耗L（以分貝做單位）和總的趨膚效應(yīng)電阻R（單位長(zhǎng)度）除以特性阻抗Z0成正比�？偟内吥w效應(yīng)電阻R是屏蔽層和中間導(dǎo)體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應(yīng)電阻在高頻時(shí)，和它的直徑d2成反比。同軸電纜內(nèi)部導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)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(yīng)的隔離材料的介電常數(shù)Er，可以用以下公式來(lái)使得趨膚效應(yīng)損耗最小。

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

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(shù)項(xiàng)( /60)*(1/d2),有效的項(xiàng)((1+d2/d1)/ln(d2/d1))來(lái)確定最小值點(diǎn)。仔細(xì)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(shù)，為L(zhǎng)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(shù)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(shì)也是綜合考慮之后的折中。單純從PCB走線的性能來(lái)說(shuō)，阻抗低比較好，對(duì)一個(gè)給定線寬的傳輸線，和平面距離越近，相應(yīng)的EMI會(huì)減小，串?dāng)_也會(huì)因此減小，同時(shí)也不易受容性負(fù)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(qū)動(dòng)能力，早期大多數(shù) 芯片驅(qū)動(dòng)不了阻抗小于50歐姆的傳輸線，而更高阻抗的傳輸線由于實(shí)現(xiàn)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(rèn)值有其先天的優(yōu)勢(shì)，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(yuǎn)程通訊的標(biāo)準(zhǔn)，一些線纜和天線都是使用的75歐姆，此時(shí)就需要與之匹配的PCB線路阻抗。另外還有一些特殊的芯片通過(guò)改善芯片驅(qū)動(dòng)能力，來(lái)降低傳輸線的阻抗，以此得到更好的抑制EMI和串?dāng)_的效果，如Intel的多數(shù)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。

作者：周偉  一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)員
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