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很多剛接觸阻抗的人都會有這個疑問，為什么常見的板內(nèi)單端走線都是默認(rèn)要求按照50歐姆來管控而不是40歐姆或者60歐姆？這是一個看似簡單但又不 好回答的問題。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)于此問題的答復(fù)，，相信很多人都有看過。 # R9 i7 ?$ S3 ~" z, _$ j( x
6 S) o8 _# F/ E: R: \5 n, w* D 為什么說不好回答呢？信號完整性問題本身就是一個權(quán)衡取舍的問題，所以在業(yè)內(nèi)最著名的一句話也就是：“It depends……”這就是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，仁者見仁智者見智的一個問題。今天高速先生也就這個問題綜合各種答復(fù)來簡單總結(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。
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8 B+ k' {. c! r 首先，50歐姆是有一定歷史淵源的，這得從標(biāo)準(zhǔn)線纜說起。我們都知道近代電子技術(shù) 很大一部分是來源于軍隊，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)的進步，需要給出阻抗標(biāo) 準(zhǔn)，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(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，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題，一個名為JAN的組織成立了，就是后來的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，并由此轉(zhuǎn)化為各種線纜的標(biāo)準(zhǔn)。此時歐洲標(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)界的一個標(biāo)準(zhǔn)沿襲下來，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)來要求了。 8 i/ N" c; Q2 s2 k+ X* D
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其次，從加工可實現(xiàn)的角度出發(fā)，50歐姆實現(xiàn)起來比較方便。從前面阻抗計算公式可知，過低 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)），這對于目前高密板來說空間上比較難滿足；過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，同時對于多層板及從量產(chǎn)的角度來講加工的可靠性會比較差；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)計要求（如下圖一阻抗計算），又方便加工，慢慢的成為默認(rèn)選擇也就不足為奇了。 V- H1 b: [, ~" h" I. }
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5 h* a2 k0 u) G" ~圖一 阻抗計算
& X8 m* g+ ^6 S. u! t1 | 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�。ㄕ訦oward 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，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，和他的直徑d1成反比。總共的串聯(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，可以用以下公式來使得趨膚效應(yīng)損耗最小。
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在任何關(guān)于電磁場和微波的基礎(chǔ)書中，都可以找到Z0是d2，d1和Er的函數(shù)。
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* q. \, x: _2 @6 {3 `" r4 _ 把公式2代入公式1中，分子分母同時乘以d2,整理得到
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從 公式3分離出常數(shù)項( /60)*(1/d2),有效的項((1+d2/d1)/ln(d2/d1))來確定最小值點。仔細(xì)查看公式3的最小值點僅由d2/d1控制，和Er以及 固定值d2無關(guān)。以d2/d1為參數(shù)，為L做圖，顯示d2/d1=3.5911時，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，無線電工程師為了方便使用，把這個值近似為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。
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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走線的性能來說，阻抗低比較好，對一個給定線寬的傳輸線，和平面距離越近， 相應(yīng)的EMI會減小，串?dāng)_也會因此減小，同時也不易受容性負(fù)載影響。但從全路徑的角度看，還需要考慮最關(guān)鍵的一個因素，那就是芯片的驅(qū)動能力，早期大多數(shù) 芯片驅(qū)動不了阻抗小于50歐姆的傳輸線，而更高阻抗的傳輸線由于實現(xiàn)起來不便，所以折中采用了50歐姆阻抗。 2 a9 v5 k3 k% G% @9 t: N# w
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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，同時也是綜合考慮后的折中方案，但并不是說就一定要用50歐姆阻抗了，很多時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(biāo)準(zhǔn)，一些線纜和天線都是使用的75歐姆，此時就需要與之匹配的PCB線路阻抗。另外還有一些特殊的芯片通過改善芯片驅(qū)動能力，來降低傳輸線 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。
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2 e6 ~) M3 n- I4 f. j' P作者：周偉 一博科技高速先生團隊隊員( @4 R: m q+ ]
一博科技專注于高速pcb設(shè)計、PCb制板、PCB帖片、焊接加工、物料供應(yīng)等服務(wù)。作為全球最大的高速PCB設(shè)計公司，我司在中國、美國、日本設(shè)立研發(fā)機構(gòu)，全球研發(fā)工程師500余人。超大規(guī)模的高速PCB設(shè)計團隊，引領(lǐng)技術(shù)前沿，貼近客戶需求。9 a6 `1 ^3 I7 \* X4 J
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