特征阻抗在电子学中的作用是什么?
硬件十万个为什么','硬件十万个为什么 2024-06-06

1、什么是特征阻抗

特征阻抗(Characteristic impedance)是指在传输线(例如电缆、微带线、同轴电缆等)中传播电磁信号时,该传输线上单位长度内的阻抗。特征阻抗通常用于描述传输线的特性,它是电磁波在传输线中传播时所遇到的阻力和反射的总和。

特性阻抗是均匀传输线上各点的电压与电流的比值。特性阻抗与传输线的物理结构有关,主要受介电常数、传输线到参考层的距离、线宽、线厚以及线间距影响。对于非均匀的传输线是不能称之为特性阻抗的,这只能说是一个“瞬时的阻抗”,而在工程中我们通常所说的阻抗大多数也是这个瞬时的阻抗,因为在PCB(印制电路板)设计中,走线层的变化、走线拓扑结构、元器件处、过孔、传输线蚀刻的不均匀性等都有可能引起传输线的阻抗变化。

特征阻抗通常由传输线的几何形状、材料特性和电磁环境等因素所决定。对于理想的传输线,特征阻抗是一个恒定的值,不会随着频率的变化而变化。对于常见的同轴电缆,例如50欧姆或75欧姆,就是其特征阻抗的典型值。

特征阻抗在电子通信和电路设计中非常重要,特别是在高频和微波领域。匹配传输线和电路的特征阻抗可以以最大程度地传输信号,减少信号反射和损耗,从而提高系统性能。

传输线的特征阻抗,又称为特性阻抗,是我们在进行高速电路设计的时候经常会提到的一个概念。但是很多人对这个概念并不理解,有时还会错误地理解为直流阻抗。弄明白这个概念对我们更好地进行高速电路设计很有必要。高速电路的很多设计规则都和特征阻抗有关。

在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中,如果传输路径上的特性阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。特性阻抗是指在某一频率下,传输信号线中(也就是我们制作的线路板的铜线),相对某一参考层(也就是常说的屏蔽层、影射层或参考层),其高频信号或电磁波在传播过程中所受的阻力称之为特性阻抗,它实际上是电阻抗、电感抗、电容抗等一个矢量总和。


现象类比:运输线的糟糕路况(类似传输线里的特性阻抗)会影响运输车队的速度,路越窄,路的阻碍作用越大(特性阻抗大,通过的无线电波能量就小);路越宽、路况越好,通过的车队速度越快(通过的无线电波能量越多)。假若一段路况特别好,另一段路况特别差,从路况好的路段进入差的路段,车队就需要放慢速度。这就说明两段路的路况不匹配(阻抗不匹配)。

所以对于非均匀的传输线是不能称之为特性阻抗的,这只能说是“瞬时的阻抗”,因为电路板上面不可能一直保持某一个阻抗,由于走线变化,换层、参考平面的变化、走线拓扑、过孔等原因都会导致传输线的阻抗变化,所以我们通常说的都是瞬时的阻抗。

综上所述,1、将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗
2、将信号随时遇到的实时的阻抗称为瞬时阻抗
3、如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阻抗
特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗,这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。如果没有特殊说明,一般用特性阻抗来统称传输线阻抗
简单的来说,传输线阻抗可以用上面的公式来说明,但如果往深里说,我们就要分析信号在传输线中的行为。
当信号沿着一条具有同样横截面的传输线移动时,假定把1V的阶梯波(0V~1V的跳变)加到这条传输线中(如把1V的电池连接到传输线的发送端,电压跨在发送线和回路之间)。一旦连接,这个电压阶梯波沿着该线以光速传播,它的速度通常约为6英寸/ns。这个信号是发送线路和回路之间的电压差,它可以从发送线路的任何一点和回路的相邻点来衡量。即:信号与其最相邻的GND。


信号能量在0.01ns前进了0.06英寸,这时发送线路有多余的正电荷(由电池提供),而回路有多余的负电荷,正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1V电压差,且这两个导体间也形成了一个电容器。

在下一个0.01ns中,又要将下一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1V,这必须再加一些正电荷到发送线路,加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸,必须把更多的正电荷加到发送线路,而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01ns,必须对传输线路的另外一段进行充电,然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池,当信号沿着这条线移动时,就给传输线的连续部分充电,因而在发送线路和回路之间形成了1V的电压差。每前进0.01ns,就从电池中获得一些电荷(±Q),恒定的时间间隔(±t)内从电池中流出的恒定电量(±Q)就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等,而且正好在信号波的前端,交流电流借由上、下线路组成的电容,结束整个循环过程。


信号传递时,会在传输线内建立一个电场,而这信号传递的速度取决于在信号与回路周围金属材质的电荷充放电与磁场生成速度。
对电池来说,当信号沿着传输线传播,并且每隔0.01ns对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源获得恒定的电流时,传输线看起来像一个阻抗器,并且它的阻抗值恒定,这可称为传输线路的浪涌阻抗(surge impedance)。同样地,当信号沿着线路传播时,在下一步之前(0.01ns之内),把这一步的电压提高到1V所需供应的能量(电流),这就涉及到瞬时阻抗的概念。
如果信号以稳定的速度沿着传输线传播,并且传输线具有相同的横截面,那么在0.01ns中每前进一步需要相同的电荷量,以产生相同的信号电压。此时,信号沿着这条线前进时,会遭遇同样的瞬时阻抗,这被视为传输线的一种特性,被称为特征阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同,那么该传输线可认为是可控阻抗(controlled impedance)传输线。
瞬时阻抗,对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中,如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等,工作可顺利进行,但若阻抗发生变化(阻抗不匹配),那会出现一些问题。为了达到信号质量,设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定,首先必须保持传输线特性阻抗的稳定,因此,可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外,其它的方法,如余线(stub)长度短化、末端去除和整线使用,也用来保持信号传递中瞬时阻抗的稳定。

2、为什么需要特征阻抗的概念

要理解特征阻抗的概念,我们先要弄清楚什么是传输线。简单地说,传输线就是能够传输信号的连接线。电源线,视频线,USB连接线,PCB板上的走线,都可以称为传输线。如果传输线上传输的信号是低频信号,假设是1KHz,那么信号的波长就是300公里(假设信号速度为光速),即使传输线的长度有1米长,相对于信号来说还是很短的,对信号来说传输线可以看成短路,传输线对信号的影响是很小的。但是对于高速信号来说,假设信号频率提高到 300MHz,信号波长就减小到1米,这时候1米的传输线和信号的波长已经完全可以比较,在传输线上就会存在波动效应,在传输线上的不同点上的电压电流就会不同。在这种情况下,我们就不能忽略传输线对信号造成的影响。传输线相对信号来说就是一段长线,我们要用长线传输里的理论来解决问题。

特征阻抗就属于长线传输中的一个概念。信号在传输线中传输的过程中,在信号到达的一个点,传输线和参考平面之间会形成电场,由于电场的存在,会 产生一个瞬间的小电流,这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压,这样在信号传输过程中,传输线的每一点就会等效成一个电阻,这个 电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。这里一定要区分一个概念,就是特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的,对于直流信号,传输线有一个直流分压电阻,这个值可能会远小于传输线的特征阻抗。

特征阻抗是电子工程中一个非常重要的概念:

信号匹配和传输优化:特征阻抗可以帮助设计工程师确保传输线和电路之间的信号匹配,以最大程度地传输信号而减少信号反射和损耗。匹配传输线和电路的特征阻抗可以提高系统的性能,确保信号在整个电路中的稳定传输。

阻抗转换和适配:在电子电路中,往往会涉及到不同特征阻抗之间的连接,此时需要进行阻抗的转换或者适配,以确保信号的正常传输。了解和使用特征阻抗概念可以帮助工程师设计合适的匹配网络或者传输线连接器。

传输线设计:在设计传输线时,特征阻抗是一个关键参数。通过选择合适的传输线结构和材料,可以实现特定的特征阻抗,从而满足电路设计的需求。特征阻抗的正确设计可以确保传输线的稳定性和性能。

EMI/EMC(电磁干扰/电磁兼容):特征阻抗也与电磁干扰和电磁兼容有关。通过正确设计传输线的特征阻抗,可以降低信号传输过程中的电磁辐射和对外界电磁干扰的敏感性,提高系统的电磁兼容性。

网络分析和仿真:在电子电路的分析和仿真中,特征阻抗是一个重要的参数。通过考虑特征阻抗,可以更准确地模拟和分析电路的行为,预测信号在电路中的传输情况,并进行电路性能优化。

3、什么决定了“特征阻抗”的值

一旦传输线的特性确定了(线宽,与参考平面的距离等特性),那么传输线的特征阻抗就确定了。

影响传输线特征阻抗的几个因素:

a. 线宽与特征阻抗成反比。增加线宽相当于增大电容,也就减小了特征阻抗,反之亦然

b. 介电常数与特征阻抗成反比。同样提高介电常数相当于增大电容

c. 传输线到参考平面的距离与特征阻抗成正比。增加传输线与参考平面的距离相当于减小了电容,这样也就减小了特征阻抗,反之亦然。

d. 传输线的长度与特征阻抗没有关系。通过公式可以看出来L和C都是单位长度传输线的参数,与传输线的长度并没有关系。

e. 线径与特征阻抗成反比。由于高频信号的趋肤效应,影响较其他因素小

特征阻抗的计算公式取决于所使用的传输线类型。

PCB上的典型传输线,一是走在表层的,下面有个参考平面,称为微带线。

一个是走在内电层的,两边都有参考平面的,称为带状线。

微带线,由一根带状导线与地平面构成,中间是电介质。如果电介质的介电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的,其精确度将在±5%之内。

带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度,介质的介电常数,以及两层接地平面的距离都是可控的,则线的特性阻抗也是可控的,且精度在10%之内。

4、为什么特征阻抗与频率无关?

特征阻抗与频率无关的原因主要在于传输线的结构和材料的均匀性。具体来说:

  1. 均匀性分布:在理想情况下,传输线上的电参数(电阻、电感、电容)是沿着传输线的单位长度均匀分布的。这意味着无论是高频还是低频信号,单位长度上的电参数都保持不变。

  2. 电磁理论基础:特征阻抗是通过电磁理论推导出来的,这种推导不依赖于频率。电磁波在传输线中的传播与频率无关。因此,特征阻抗作为描述传输线电磁特性的一个基本参数,也是与频率无关的。

  3. 材料特性:传输线的材料特性通常在特定频率范围内是相对恒定的。虽然在极高频率下(例如微波频段以上)一些特殊材料的特性可能会发生变化,但在通常的电子电路设计中所使用的频率范围内,材料特性可以视作与频率无关。

综上所述,特征阻抗与频率无关是建立在传输线均匀性分布、电磁理论基础和材料特性恒定性的基础上的。这使得在设计和分析电子电路时,可以将特征阻抗视为与频率无关的常数。

特性阻抗是均匀传输线上各点的电压和电流的比值。特性阻抗受介电常数、介质厚度、线宽等因素影响。


在实际的传输线中,可能存在一些非理想因素,如传输线中的电阻、电感、电容、导体的电导率等可能会随着频率变化而略微改变,这可能会使特征阻抗在一定程度上呈现出频率依赖性。但在大多数情况下,特征阻抗的频率依赖性非常小,可以在设计和分析电路时将其视为与频率无关的常数。

5、为什么特征阻抗一般设置为50欧姆、75欧姆

下面简单说说我们经常听到的传输线特征阻抗是75欧姆和50欧姆。为什么是这两个值,而不是其他值呢?这两个数值是人们在工程实践中选择的。就同轴电缆来说,内外导体直径比为1.65时导线具有最大的功率传输能力,这个时候对应的阻抗大约为30欧姆。但是阻抗过低引起的信号衰减比较大,考虑到电缆的衰减因素,在阻抗为77欧姆的时候衰减系数最小,所以在工程上为了方便计算,就取特征阻抗的计算值为75欧姆,能达到比较好的衰减系数减少信号衰减。如果 取功率传输能力和衰减系数做折中考虑的话,就得到了50欧姆,这也是在工程上方便计算的取值。也就是说无论是75欧姆还是50欧姆都是人为规定的,考虑各方面因素的一个折中选择。


特征阻抗一般选择为75欧姆和50欧姆的原因主要是历史和实用性考虑。


  1. 标准化:在电信和电子领域,为了方便设备之间的互联和兼容性,通常会采用一些标准化的特征阻抗。75欧姆和50欧姆特征阻抗是两种广泛采用的标准特征阻抗,它们已经被广泛接受并被纳入了多种标准中,如电视、广播、网络通信等领域。

  2. 历史原因:50欧姆和75欧姆的特征阻抗是在不同的历史背景下形成的。50欧姆通常用于无线电和通信领域,而75欧姆通常用于视频信号传输领域,例如电视和视频设备。

  3. 性能和损耗:特征阻抗的选择也与传输线性能和损耗有关。一般来说,50欧姆的传输线在高频率下损耗更小,适用于需要高频率信号传输的应用,而75欧姆的传输线在视频领域有着更好的性能表现。

  4. 互连标准:在许多互联标准中,如RS-232、RS-485等,也使用了50欧姆或75欧姆的特征阻抗。


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