什么是特性阻抗

作者：AirCity 2019.12.2
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首先推荐一本书《信号完整性分析》，Eric Bogatin著。个人认为硬件工程师必看此书。本文的内容也对这本书某些章节的理解。
在做PCB Layout时，我们经常会谈到信号完整性，也知道高速信号线需要做到阻抗匹配，那么这里的阻抗到底是什么阻抗呢？

真正的答案是直流阻抗+特性阻抗。

直流阻抗很容易理解，它是走线上串的电阻阻值+走线本身的阻值，走线本身的阻值通常很小。

特性阻抗也是交流阻抗，是指高速信号在走线上传输时感受到的“阻力”。

本文重点介绍交流阻抗（交流的频率就是电磁波的速度—光速）。

每一根走线，都有参考地，走线与参考地之间有电容CL，信号在走线上传输，相当于在给走线“充电”。“充电”的容易程度，相当于阻力大小，它的大小与CL值有关，下面这个公式表示走线的特性阻抗：

公式如何推导的，请参考本文开头的书籍。

我们常用的FR4基材，介电常数是4，假设走线单位长度的电容是3.3pF/inch，计算可得走线的特性阻抗是50Ω。要想让走线的特性阻抗为50Ω，可以简单遵循下图准则：

FR4基材的PCB板上，特性阻抗走线的寄生参数是：
单位长度电容=3.3pF/in
单位长度电感=8.3nH/in

特性阻抗不只存在于电路板上的走线，我们平时用的同轴线，也有特性阻抗，下面是我们常见的几种同轴线对应的特性阻抗：

RG174 50Ω
RG58 52Ω
RG59 75Ω
RG62 93Ω
电视天线 300Ω
有线电视线缆 75Ω
双绞线 100~130Ω

如果走线没有参考地，参考的是自由空间，那么电信号将以电磁波的形式在自由空间传播。在传播时，电场和磁场会受到一个阻抗，这个阻抗是 377Ω

如果要精确的计算特性阻抗，需要仿真软件Polar Instruments的SI9000，网上有下载。我们在制作PCB时，需要与厂家沟通，PCB厂家会告诉你层叠结构，走线宽度，以及每一层的阻抗。

微波传输线Microstrip：
位于PCB的TOP或BOT层，走线的一面是FR4，一面是空气。

带状线stripline：
位于两个金属平面之间，也就是PCB板的内层，由于两个平面间电容耦合，会降低信号边沿速度，因此Microstrip能获得比stripline更高的速率。