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很多剛接觸阻抗的人都會有這個疑問，為什么常見的板內單端走線都是默認要求按照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關于此問題的答復，，相信很多人都有看過。 4 A9 e& L/ Y# I4 j; A. i5 ?
% ~1 X) b2 q- s. x, n 為什么說不好回答呢？信號完整性問題本身就是一個權衡取舍的問題，所以在業(yè)內最著名的一句話也就是：“It depends……”這就是沒有標準答案，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來簡單總結下，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)總結出更多相關的因素。 ! i7 }: R8 O1 Y, L% L1 R, t; u% a
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首先，50歐姆是有一定歷史淵源的，這得從標準線纜說起。我們都知道近代電子技術 很大一部分是來源于軍隊，慢慢的軍用轉為民用，在微波應用的初期，二次世界大戰(zhàn)期間，阻抗的選擇完全依賴于使用的需要。隨著技術的進步，需要給出阻抗標 準，以便在經濟性和方便性上取得平衡。在美國，最多使用的導管是由現(xiàn)有的標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，并且特別的導管被制造出來，并由此轉化為各種線纜的標準。此時歐洲標準是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)界的一個標準沿襲下來，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歐姆阻抗標準來要求了。
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8 U1 K8 Z# J! v 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（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的線寬及較厚的介質（或較小的介電常 數(shù)），不利于EMI及串擾的抑制，同時對于多層板及從量產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厚度 （4~6mil）即符合設計要求（如下圖一阻抗計算），又方便加工，慢慢的成為默認選擇也就不足為奇了。 + P; U) p! U( g
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圖一 阻抗計算
( l* h& ~! @3 h3 }$ |9 L: c 第 三，從損耗的角度出發(fā)，根據(jù)基本的物理學可以證明50歐姆阻抗趨膚效應損耗最�。ㄕ訦oward Johnson, PhD的回復）。通常電纜的趨膚效應損耗L（以分貝做單位）和總的趨膚效應電阻R（單位長度）除以特性阻抗Z0成正比。總的趨膚效應電阻R是屏蔽層和中間 導體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應電阻在高頻時，和它的直徑d2成反比。同軸電纜內部導體的趨膚效應電阻在高頻時，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損耗最小。
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在任何關于電磁場和微波的基礎書中，都可以找到Z0是d2，d1和Er的函數(shù)。
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把公式2代入公式1中，分子分母同時乘以d2,整理得到 & d- k7 o$ H6 i! I1 A" T
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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。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， 相應的EMI會減小，串擾也會因此減小，同時也不易受容性負載影響。但從全路徑的角度看，還需要考慮最關鍵的一個因素，那就是芯片的驅動能力，早期大多數(shù) 芯片驅動不了阻抗小于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。 8 L! _6 o% q9 `) p$ Y5 r
1 l& ^# w) i0 u" K, r 綜上所述：50歐姆作 為業(yè)界的默認值有其先天的優(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 是遠程通訊的標準，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動能力，來降低傳輸線 的阻抗，以此得到更好的抑制EMI和串擾的效果，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。; L0 ^0 V$ H. E& E a% A( {. x' x
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作者：周偉 一博科技高速先生團隊隊員
0 u; o- N3 L: v/ F/ E, B! |8 c一博科技專注于高速pcb設計、PCb制板、PCB帖片、焊接加工、物料供應等服務。作為全球最大的高速PCB設計公司，我司在中國、美國、日本設立研發(fā)機構，全球研發(fā)工程師500余人。超大規(guī)模的高速PCB設計團隊，引領技術前沿，貼近客戶需求。
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