引用大哥牛 為什麼要用50歐姆?

 

問題:為什麼大多數工程師喜歡用50歐姆作為PCB的傳輸線阻抗(有時候這個值甚至就是PCB板的缺省值),為什麼不是60或者是70歐姆呢?

 

回答:對於寬度確定的走線,3個主要的因素會影響PCB走線的阻抗。首先,是PCB走線近區場的EMI(電磁干擾)和這個走線距參考平面的高度是成一定的比例關係的,高度越低意味著輻射越小。其次,串擾會隨走線高度有顯著的變化,把高度減少一半,串擾會減少到近四分之一。最後,高度越低阻抗越小,不易受電容性負載影響。

 

所有的三個因素都會讓設計者把走線儘量靠近參考平面。阻止你把走線高度降到零的原因是,大多數晶片驅動不了阻抗小於50歐姆的傳輸線。(這個規則的特例是可以驅動27歐姆的Rambus,以及National的的BTL系列,它可以驅動17歐姆)

 

並不是所有的情況都是用50歐姆最好。例如,8080處理器的很老的NMOS結構,工作在100KHz,沒有EMI,串擾和電容性負載的問題,它也不能驅動50歐姆。對於這個處理器來說,高的阻抗意味著低功耗,你要盡可能的用細的,高的這樣有高阻抗的線。

 

純機械的角度也要考慮到。例如,從密度上講,多層板層間距離很小,70歐姆阻抗所需要的線寬工藝很難做到。這種情況,你應該用50歐姆,它的線寬更加寬,更易於製造。

 

同軸電纜的阻抗又是怎麼樣的呢?在RF領域,和PCB中考慮的問題不一樣,但是RF工業中同軸電纜也有類似的阻抗範圍。根據IEC的出版物(1967年),75歐姆是一個常見的同軸電纜阻抗標準,因為你可以和一些常見的天線配置相匹配。它也定義了一種基於固態聚乙烯的50歐姆電纜,因為對於直徑固定的外部遮罩層和介電常數固定為2.2(固態聚乙烯的介電常數)的時候,50歐姆阻抗趨膚效應損耗最小。

 同軸電纜

你可以從基本的物理學來證明50歐姆是最好的,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是遮罩層和中間導體電阻之和。遮罩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。總共的串聯電阻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ER,你可以用以下公式來減少趨膚效應損耗。

 

  why501    

 

在任何關於電磁場和微波的基礎書中,你都可以找到Z0d2d1ER的函數

 

 why502

 

把公式2帶入公式1中,分子分母同時乘以d2,整理得到

 

 why503

 

公式3分離出常數項( /60)*(1/d2),有效的項((1+d2 /d1 )/ln(d2 /d1 ))確定最小點。仔細查看公式三公式的最小值點僅由d2 /d1控制,和ER以及固定值d2無關。以d2 /d1為參數,為L做圖,顯示d2 /d1=3.5911時,取得最小值。假定固態聚乙烯的介電常數為2.25d2 /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值。這證明了在50歐姆附近,L是最小的。但這並不影響你使用其他阻抗。例如,你做一個75歐姆的電纜,有著同樣的遮罩層直徑和絕緣體,趨膚效應損耗會增加12%。不同的絕緣體,用最優d2 /d1比例產生的最優阻抗會略有不同。

 

評論 
花了一個多小時翻譯了這篇文章,以前一直都說阻抗匹配啊,什麼50歐姆,75歐姆啊,但是確無法說出原因來。凡是最會是有原因的,這篇文章很好的解釋了用50歐姆的原因,由來。 
———–大哥牛于2008730日晚上21:30

 

 


 

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