无论长度和信号频率如何,PCB 走线如何都具有 50 欧姆的阻抗?

电器工程 电路板 阻抗 痕迹 特性阻抗
2022-01-13 02:55:54

嗯,这似乎只是线路阻抗的另一个问题。

我知道当我们说“传输线”效应时,我们谈论的是串音、反射和振铃之类的东西(我想就是这样)。这些影响在 PCB 走线表现得像“理想”传输介质的低频下不存在,更像是我们期望电线在我们早期的学生时代表现出来。

我也明白 50 欧姆的值不是来自线路电阻,它会非常小并且小于 1 欧姆。这个值来自于线上L和C的比值。通过改变接地平面以上的走线高度来改变 C 或通过改变走线宽度来改变 L 将改变线路的阻抗。

我们都知道 L 和 C 的电抗也取决于信号频率。现在我的问题:

  1. 为什么我们不能只将其称为线路电抗而不是线路阻抗?

  2. 怎么可能只有50欧姆?它必须取决于信号频率,对吗?例如 1 MHz 时为 50 欧姆

  3. 如果我选择做 100 欧姆或 25 欧姆的走线,世界会终结吗?我知道虽然我们喜欢说 50 欧姆是一个神奇的数字,但它会在 50 欧姆左右的某个范围内,而不是 50.0000 欧姆。

  4. 是否有任何时候 PCB 走线的实际电阻可能很重要?

4个回答

让我们看一下传输线的公式和等效电路。

在此处输入图像描述

(1) 阻抗而不是电抗。

电抗是指对电流(电感器)或电压(电容器)变化的反对 - 单个组件。传输线具有分量 - 阻抗是电压相量与电流相量的比率。R,LC

(2) 它是,因为每单位长度的电感与电容之比会产生该值。由于,这些值可以被忽略,因此表达式简化为(与频率无关)。50ΩR<<jωLG0L/C

(3) 不,但通常最好让事情保持标准。您可能会发现很难为您的传输线找到合适的连接器。还有很多信息可用于在 PCB 等上设计标准传输线。我书中的神奇数字是 376.73031……自由空间的阻抗。现在没有那个,我们将生活在一个不同的宇宙中。 167Ω

(4) 回到公式。在低频时可能很重要,因为电感器的电抗很小)。在非常高的频率下,介电损耗可能会变得很大。R

传输线沿其整个长度分布有电感和电容。我们可以把它想象成无限多的小电感和电容:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

每个电感器用于限制电容器充电的速率。但是,随着我们将线路分成越来越多的部分,电感器和电容器都变得越来越小。那么,它们的数量重要吗?我们可以选择将传输线分成我们想要的任意多段,从一个到无穷大。因此,我们可以使电容器和电感器任意小。

因此,这些电感器和电容器的值一定无关紧要。实际上,重要的只是电感与电容的比率,因为这不会随着传输线的划分而改变。如果特性阻抗在线被分割时没有改变,那么它也不会随着我们变长而改变。

添加到菲尔所说的:

现在想象一下,在这个长长的电感器和电容器链中,一切都从 0 伏特和安培开始,然后你在一端放置一个电压阶跃。电感器减慢电容器充电的方式,将流过稳定的电流,这将与您输入的电压成正比。由于您有一个电压和一个与该电压成正比的电流,您可以将两者相除以找到这条无限传输线模仿的电阻。实际上,对于理想的无限大传输线,从外部看不出传输线和电阻的区别。

然而,这一切只有在电压阶跃可以继续沿传输线传播的情况下才有效。但是,这是一个令人振奋的时刻,如果你有一条短线,但在它的一端放置一个特性电阻的电阻器,它会在另一端看起来像一条无限传输线。这样做称为终止传输线。

吉姆有一个很好的答案。但是,要扩展一些:

2) 50 欧姆是 50 欧姆(有点)。材料的介电常数略微依赖于频率。因此,您为 1 GHz 选择的走线高度和宽度在 10 GHz 时的阻抗会略有不同(如果您需要担心差异,您可能已经知道差异!)

4) 对于标准 PCB FR4 材料,介电损耗在 0.5 到 1 GHz 左右将成为一个问题。然而,当你有更高的电流线时,电阻确实变得很重要。例如:如果您在 1 英寸长的 1 盎司铜的 6 mil 宽迹线上有 1 安培,则电阻为 0.1 欧姆。你将有大约 0.1V 的下降和大约 60C 的温度。如果您无法处理 0.1V 的压降,则需要明显加宽走线或加厚铜。

根据经验,如果长度小于 1 英寸,则可以忽略大多数直流电阻。