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为什么PCB上的单端阻抗操控50欧姆

很多刚接触阻抗的人都会有这个疑问,为什么常见的板内单端走线都是默认要求按照50欧姆来管控而不是40欧姆或者60欧姆?这是一个看似简单但又不好回答的问题。在写这篇文章前我们也查找了很多资料,其中最有

  许多刚触摸阻抗的人都会有这个疑问,为什么常见的板内单端走线都是默许要求依照50欧姆来管控而不是40欧姆或许60欧姆?这是一个看似简略但又欠好答复的问题。在写这篇文章前咱们也查找了许多资料,其间最有知名度的是Howard
Johnson, PhD关于此问题的答复,信任许多人都有看过。

  为什么说欠好答复呢?信号完好性问题自身便是一个权衡取舍的问题,所以在业界最著名的一句话也便是:"It depends……"
这便是没有规范答案,仁者见仁智者见智的一个问题。今日高速先生也就这个问题归纳各种答复来简略总结下,在此也是抛砖引玉,期望更多的人能够从各自的视点动身总结出更多相关的要素。

  首要,50欧姆是有必定历史渊源的,这得从规范线缆说起。咱们都知道近代电子技能很大一部分是来源于戎行,渐渐的军用转为民用,在微波运用的初期,二次世界大战期间,阻抗的挑选彻底依赖于运用的需求。跟着技能的前进,需求给出阻抗规范,以便在经济性和便利性上获得平衡。在美国,最多运用的导管是由现有的标尺竿和水管衔接成的,51.5欧姆非常常见,但看到和用到的适配器/转换器又是50欧姆到51.5欧姆;为联合陆军和水兵处理这些问题,一个名为JAN的安排成立了,便是后来的DESC,由MIL特别开展的,归纳考虑后终究挑选了50欧姆,而且特别的导管被制造出来,并由此转化为各种线缆的规范。此刻欧洲规范是60欧姆,不久以后,在象Hewlett-Packard这样在业界占操控位置的公司的影响下,欧洲人也被逼改变了,所以50欧姆终究成为业界的一个规范沿用下来,也就变成约定俗成了,而和各种线缆衔接的PCB,为了阻抗的匹配,终究也是依照50欧姆阻抗规范来要求了。

  其次,从线路板制造可完成的视点动身,50欧姆完成起来比较便利。从前面阻抗核算公式可知,过低的阻抗需求较宽的线宽以及薄介质(或较大的介电常数),这关于现在高密板来说空间上比较难满意;过高的阻抗又需求较细的线宽及较厚的介质(或较小的介电常数),不利于EMI及串扰的按捺,一起关于多层板及从量产的视点来讲加工的可靠性会比较差;而50欧姆在常用资料的环境下一般的线宽和介质厚度(4~6mil)即契合规划要求(如下图一阻抗核算),又便利加工,渐渐的成为默许挑选也就家常便饭了。

  第三,从损耗的视点动身,依据根本的物理学能够证明50欧姆阻抗趋肤效应损耗最小(摘自Howard Johnson,
PhD的回复)。一般电缆的趋肤效应损耗L(以分贝做单位)和总的趋肤效应电阻R(单位长度)除以特性阻抗Z0成正比。总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中心导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时,和它的直径d2成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时,和他的直径d1成反比。一共的串联电阻R,因而和(1/d2+1/d1)成正比。归纳这些要素,给定d2和相应的阻隔资料的介电常数Er,能够用以下公式来使得趋肤效应损耗最小。

  在任何关于电磁场和微波的根底书中,都能够找到Z0是d2,d1和Er的函数。

  把公式2代入公式1中,分子分母一起乘以d2,收拾得到

  从公式3别离出常数项(
/60)*(1/d2),有用的项((1+d2/d1)/ln(d2/d1))来确认最小值点。细心检查公式3的最小值点仅由d2/d1操控,和Er以及固定值d2无关。以d2/d1为参数,为L做图,显现d2/d1=3.5911时,获得最小值。假定固态聚乙烯的介电常数为2.25,d2/d1=3.5911
得出特性阻抗为51.1欧姆。好久之前,无线电工程师为了便利运用,把这个值近似为50欧姆作为同轴电缆最优值。这证明了在50欧姆邻近,L是最小的。

  最终,从电气功能的视点看,50欧姆的优势也是归纳考虑之后的折中。单纯从PCB走线的功能来说,阻抗低比较好,对一个给定线宽的传输线,和平面间隔越近,相应的EMI会减小,串扰也会因而减小,一起也不易受容性负载影响。但从全途径的视点看,还需求考虑最要害的一个要素,那便是芯片的驱动才能,前期大大都芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线,而更高阻抗的传输线因为完成起来不方便,所以折中采用了50欧姆阻抗。

  综上所述:50欧姆作为业界的默许值有其先天的优势,一起也是归纳考虑后的折中计划,但并不是说就必定要用50欧姆阻抗了,许多时分仍是取决于与之匹配的接口,如75欧姆仍然是长途通讯的规范,一些线缆和天线都是运用的75欧姆,此刻就需求与之匹配的PCB线路阻抗。别的还有一些特别的芯片经过改进芯片驱动才能,来下降传输线的阻抗,以此得到更好的按捺EMI和串扰的作用,如Intel的大都芯片要求阻抗操控在37欧姆、42欧姆乃至更低,在此不再赘述。

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