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浅谈PCB线路板上的单端阻抗控制50欧姆

2021-05-14 点击量:

    很多工程师在设计PCB电路板图纸的时候,对刚接触PCB引线的人都会有这个疑问,为什么常见的电路板板内单端走线都是必须按照50欧姆来管控而不是40欧姆或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找到了很多有关电路板的转换资料,其中最有知名度的是HowardJohnson,PhD关于此问题的答复,相信很多人都有看过。
 
    信号根本问题本身就是一个权衡取舍的问题,所以在某些最著名的一句话也就是:“ Itdepends ...”这就是没有标准答案,仁者见仁,智者见智的一个问题。高速先生也就这个问题综合各种应答来简单总结下,在此也是抛砖引玉,希望大发十分彩的人可以从各自的角度出发总结出大发十分彩相关的因素。
 
一,50欧姆是有一定历史渊源的,这得从标准线缆说起,我们都知道近代电子技术很大一部分是逐步军队,慢慢的军用转为民用,在微波应用的初期,二次世界大战期间,阻抗的选择完全依赖于使用的需要。随着技术的进步,需要参照标准,闸在经济性和方便性上取得平衡。在美国,最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的,51.5欧姆十分常见,但看到和用到的适配器/转换器又是50欧姆到51.5欧姆;为联合陆军和海军解决这些问题,一个叫做JAN的组织成立了,就是后来的DESC,由MIL特别发展的,综合考虑后最终选择了50欧姆,并且特别的导管被制造出来,并转换为各种线缆的标准。此时欧洲标准是60欧姆,不久以后,在象惠普这样在发展中国家占统治地位的公司的影响下,欧洲人也被迫改变了,所以50欧姆最终成为一个的标准袭下来,也就变成约定俗成了,而和各种线缆连接的印刷电路板,为了阻抗的匹配,最终也是按照50欧姆阻抗标准来要求了。
 
二,从电路板制作可实现的角度出发,50欧姆实现起来比较方便。从前面计算公式可知,过低的PCB线路板阻抗需要较宽的线宽以及薄介质(或绝缘的介电常数),这对于目前高密板来说空间上比较难满足;过高的电感又需要较细的线宽及较厚的介质(或较小的介电常数),不利于EMI及串扰的抑制,同时对于多层板及从量产的角度而言加工的可靠性会比较差;而50欧姆在常用材料的环境下普通的线宽和介质厚度(4mil-6mil)即符合设计要求(如下图一变量计算),又方便加工,慢慢的成为替代选择也就不足为奇了。
 
三,从损耗的角度出发,根据基本的物理学可以证明50欧姆衰减趋肤效应损耗最小(摘自HowardJohnson,PhD的回复)。通常电缆的趋肤效应损耗L(以分贝做单位)和总的趋向总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时,和它的直径d2。综合这些因素,,这些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。总的串联电阻R,因此和(1 / d2 + 1 / d1)成正比。给定d2和相应的隔离材料的介电常数Er,可以使用以下公式来进行趋肤效应损耗最小。
从公式3分离出常数项(/ 60)*(1 / d2),有效的项((1 + d2 / d1)/ ln(d2 / d1))来确定引用点。仔细查看公式3的替代以d2 / d1为参数,为L做图,显示d2 / d1 = 3.5911时,取得收益。仅固态由d2 / d1控制,和Er以及固定值d2无关。 ,很早之前,无线电工程师为了方便使用,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欧姆附近,L是最小的。
 
    最后,从电气性能的角度看,50欧姆的优势也是综合考虑之后的折中。单纯从PCB走线的性能来说,电感低比较好,对一个给定线宽的传输线,和平面距离越近,从相应路径的角度看,还需要考虑最关键的一个因素,那就是芯片的驱动能力,早期大多数芯片驱动不了PCB线路板的电感小于50欧姆的传输线,而更高的开关的传输线通过实现起来不便,所以折中采用了50欧姆交流。
 
    综上所述:50欧姆作为业界的替代值有其先天的优势,同时也是综合考虑后的折中方案,但并非说就一定要用50欧姆欧姆了,很多时候还是与之匹配的连接,如75欧姆仍然是远程通讯的标准,一些线缆和天线都是使用的75欧姆,此时就需要与之匹配的PCB线路接线。另外还有一些特殊的芯片通过改善芯片驱动能力,来降低传输线的阻抗,从而获得更好的抑制EMI和串扰的效果,如英特尔的多个芯片要求变频器控制在37欧姆,42欧姆甚至短路,在此不再赘述。 

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