特性阻抗，是我們在進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會提到的一個(gè)概念。但是很多人對這個(gè)概念并不理解，有時(shí)還會錯誤的理解為直流阻抗。弄明白這個(gè)概念對我們更好的進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)很有必要，高速電路的很多設(shè)計(jì)規(guī)則都和特征阻抗有關(guān)。特征阻抗是對于交流信號(或者說高頻信號)來說的。特征阻抗屬于長線傳輸中的一個(gè)概念，信號在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，在信號到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由于電場的存在，會產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。 

要理解特征阻抗的概念，我們先要弄清楚什么是傳輸線。簡單的說，傳輸線就是能夠傳輸信號的連接線。電源線，視頻線，USB連接線，PCB板上的走線，都可以稱為傳輸線。如果傳輸線上傳輸?shù)男盘柺堑皖l信號，假設(shè)是1KHz，那么信號的波長就是300公里(假設(shè)信號速度為光速)，即使傳輸線的長度有1米長，相對于信號來說還是很短的，對信號來說傳輸線可以看成短路，傳輸線對信號的影響是很小的。但是對于高速信號來說，假設(shè)信號頻率提高到300MHz，信號波長就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線和信號的波長已經(jīng)完全可以比較，在傳輸線上就會存在波動效應(yīng)，在傳輸線上的不同點(diǎn)上的電壓電流就會不同。在這種情況下，我們就不能忽略傳輸線對信號造成的影響。傳輸線相對信號來說就是一段長線，我們要用長線傳輸里的理論來解決問題。特征阻抗就屬于長線傳輸中的一個(gè)概念。信號在傳輸線中傳輸?shù)倪^程中，在信號到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由于電場的存在，會產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對于交流信號(或者說高頻信號)來說的，對于直流信號，傳輸線有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會遠(yuǎn)小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線的特征阻抗就確定了.

特性阻抗詳解

特性阻抗(ρ)的連續(xù)性基本上就取決于分布參數(shù) L0、C0 比值的穩(wěn)定性，我們都知道歐姆定律：U=RI，其中的 R 就是電阻或者叫電阻負(fù)載，單位為歐姆(Ω)。電阻與金屬材料的電阻率 (又稱導(dǎo)電系數(shù))有關(guān)，但在高頻信號的傳輸過程中，我們還需要了解傳輸高頻信號的物理介質(zhì)(比如雙絞線、同軸線、波導(dǎo))的傳輸特性，它不同于低頻信號，這種傳輸特性與傳輸介質(zhì)的導(dǎo)電材料(例如銅或銀) 、導(dǎo)電系數(shù)(電阻率)、幾何形狀(最常見為圓柱形)、分布電感(L0)、分布電容(C0)、絕緣材料(的介電常數(shù))等都有關(guān)系，而低頻信號傳輸時(shí)則往往不考慮這些分布參數(shù)和絕緣材料介電常數(shù)的影響。

所有的電子線路圖中都用 L 代表電感，C 代表電容器(通常是方形、原片形或圓柱形的元件)。但從微觀上看，雙絞線其實(shí)就是兩根彼此靠近的圓柱形銅導(dǎo)體，截取一段雙絞線來深入觀察和研究，你會發(fā)現(xiàn)它就是彼此靠近的一對圓柱形銅導(dǎo)體而已。問：圓柱形銅導(dǎo)體是不是自身就存在電感和電容呢？答案是：存在。一米雙絞線的每根圓柱形銅芯雖然外形上不是電感器，但本身也存在微量的“體電感”；兩根相互靠近的一米銅導(dǎo)體雖然外形上不是電容器，但兩者之間確實(shí)存在著微量的電荷感應(yīng)(感應(yīng)系數(shù)即為“體電容”)。這些“外形特征”不像，但“身體”中包含著的微量電感、電容我們就叫做分布參數(shù)(分布電感 L0、分布電容 C0)，特性阻抗(ρ)的連續(xù)性或者說穩(wěn)定性其實(shí)基本上取決于分布參數(shù) L0、C0 比值的穩(wěn)定性

以上圖中的一對“綠色”線對為例，為了分析方便，我們可以把它們等效為圖中左下角的電路。電路中的 L0 就是體電感(分布電感)，C0 就是分布電容，R0 就是這段銅導(dǎo)體的電阻。用來衡量這些分布參數(shù)對信號傳輸有何影響時(shí)，我們會得出一個(gè)算式比較復(fù)雜的相關(guān)性的等效參數(shù)，由于這個(gè)參數(shù)等效計(jì)算的結(jié)果正好是以歐姆(Ω)為單位，所以中文把這個(gè)參數(shù)譯做“特性阻抗”，有時(shí)簡稱阻抗(即上圖中右上角的計(jì)算公式 ρ=……)。這個(gè)特性阻抗參數(shù)和歐姆定律中常引用的純電阻完全是兩個(gè)概念，雖然它們計(jì)量單位都是歐姆，但此“歐姆”非彼“歐姆”—特性阻抗是薇電阻 R0 暨“分布參數(shù)”彼此“感應(yīng)作用”的一個(gè)等效值，它被用來簡要地衡量和描述導(dǎo)體介質(zhì)的傳輸特性，且不隨“均勻”傳輸線的長度改變而發(fā)生變化(雖然有時(shí)根據(jù)計(jì)算的會需要假設(shè)信號傳輸線的長度為無限)，而電阻是與傳輸線的長度密切相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，傳輸線越長，電阻值通常也越大。特性阻抗表達(dá)式雖然復(fù)雜，但隨著工作頻率的提高(一般大于 1~2MHz 以后)，其值會趨于穩(wěn)定不變。近似地，此穩(wěn)定值只與(L0/C0)比值平方根值和絕緣材料的介電常數(shù)有關(guān)(參見上圖右上角關(guān)于雙絞線特性阻抗的計(jì)算公式 ρ=……，其中，d 為銅纜芯線的直徑，D 為兩根芯線的中心間距，?為絕緣塑料的介電常數(shù))。所以，材料不變的情況下，只要傳輸線保持結(jié)構(gòu)均勻(即 d 和 D 保持均勻不變)，其分布參數(shù) L0、C0 就會保持不變，其比值 L0/C0 也會保持不變。那么鏈路每“一點(diǎn)”的特性阻抗也會保持不便(即保持阻抗的連續(xù)性)。所以總結(jié)下來就是，特性阻抗是由d, D,Σr 所決定b. 特性阻抗和長度無關(guān),如果測試的頻率大于1MHz,特性阻抗與頻率幾乎無關(guān).c. 僅減小d, 特性阻抗增加d. 僅減小D, 特性阻抗減小e. 僅減小Σr ,特性阻抗增加.d=中心導(dǎo)體的直徑(m) D=外部導(dǎo)體或覆被的內(nèi)徑(m)Σr =絕緣材質(zhì)的介電系數(shù)。

特性阻抗對線纜小白來說可能不好理解，為了方便大家理解，我們舉一個(gè)類比的例子來加以說明。一條道路，如果非常平整，則我們就說它的平整度(特性阻抗)很高(亦即阻抗連續(xù)性好)。如果出現(xiàn)坑洼不平，我們就說他的平整度差(阻抗不連續(xù))。如果前面路斷了(斷頭路)，則車輛行人只能掉頭回來(斷頭相當(dāng)于電纜開路，阻抗突變?yōu)闊o窮大)。如果路面坑洼顛簸得很厲害，則底盤低的轎車就會放棄前行掉頭返回(阻抗突變導(dǎo)致信號產(chǎn)生回波)。由此可以幫助理解：阻抗越連續(xù)(平順)，則信號回波越少。反之，回波越大，則阻抗越不連續(xù)(路面不平整順)。所以，通過測量回波，我們就可以了解路面的質(zhì)量(電纜的阻抗連續(xù)性)。目前我們雙絞線常見的特性阻抗規(guī)格是 100Ω ，一般要求安裝好的鏈路阻抗的波動值(即路面的不平整度)不要超過±10%，相對于特性阻抗 100Ω 規(guī)格數(shù)據(jù)電纜而言，也就是 90Ω~110Ω 是可以接受的。不過，由于鏈路的每一點(diǎn)其阻抗值在不同頻率和位置都可能是不同的，這為阻抗的精確和方便地測試造成了一定困難，但由于阻抗不連續(xù)與“回波”是正相關(guān)的，而回波對信號的破壞作用是顯而易見的，所以從 90 年代后期開始，主流標(biāo)準(zhǔn)都不再要求測試阻抗，而是專們測試與阻抗連續(xù)性密切正相關(guān)的回波損耗(RL, Return Loss)。雙絞線是一種傳輸線。理論上，“均勻傳輸線”上沿長度方向上每一點(diǎn)的分布參數(shù)的感應(yīng)等效值(即特性阻抗 ρ)是不變的，這就前面提到的“阻抗連續(xù)性”。例如，一段 100 米的“均勻雙絞線”，其 30 米處的特性阻抗值和 50 米處的特性阻抗值理論上應(yīng)該是一樣的(都是標(biāo)準(zhǔn)的 100Ω，即分布電感和分布電容、微電阻、絕緣材料等是保持均勻、一致且對稱的)。而真實(shí)條件下的雙絞線都不是真正的均勻雙絞線，傳輸線上每點(diǎn)的特性阻抗值會因?yàn)橹圃煺`差、安裝變形等原因可能都是不一樣的，存在著一定的波動(例如存在 10%的波動)。這種阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象是由于傳輸線的加工過程無法做到完全保持線對的連續(xù)、均勻一致且與周圍金屬導(dǎo)體保持結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ而造成的。如果生產(chǎn)過程中銅線的直徑和銅線外絕緣層的厚度隨機(jī)地發(fā)生微小的變化，那么電磁感應(yīng)的分布參數(shù)值 L0(體電感)和 C0(體電容)就會發(fā)生微小變化，L0/C0 也會變化，最終經(jīng)等效公式計(jì)算出來的特性阻抗值就會發(fā)生變化。例如，30 米處特性阻抗為 103Ω，而 32 米處有可能為 98Ω。類似地，同軸線也存在同樣的情況，同軸線中的內(nèi)導(dǎo)線直徑會沿著長度方向發(fā)生微小變化，外導(dǎo)體(圈)的直徑和內(nèi)外導(dǎo)體之間的絕緣層的厚度也會發(fā)生微小變化，這樣其特性阻抗值也會發(fā)生微小變化，所以電磁感應(yīng)值的分布沿長度方向是不連續(xù)的，也就是說沿長度方向的特性阻抗值是不連續(xù)的。更常見的是在連接器的地方，例如插座：這里的導(dǎo)體形狀、尺寸、介質(zhì)材料等都會發(fā)生顯著變化，而且是人為設(shè)計(jì)的顯著變化，也是阻抗不連續(xù)需要關(guān)注的重點(diǎn)產(chǎn)品和部位。

分布參數(shù)只有在傳輸高頻信號時(shí)才產(chǎn)生明顯影響(長線理論)，而在低頻信號傳輸時(shí)分布參數(shù)的微小變化對信號傳輸?shù)挠绊懯呛芪⑷醯?可完全忽略)。例如，用特性阻抗為 75Ω 的同軸線傳輸 4 千赫茲頻率的低頻語音信號(電話)，那么即便是阻抗發(fā)生大幅度突變，同軸線對這種信號的傳輸基本上沒有影響(相當(dāng)于短線)，但如果這根同軸線中傳輸?shù)氖?200MHz 的有線電視信號，則很可能因阻抗不連續(xù)(例如跳線使用了特性阻抗為 50Ω 的同軸電纜，在連接插座的地方就有 75Ω-50Ω = 25Ω 的特性阻抗突變)，從而導(dǎo)致電視信號的來回多次在不同阻抗的電纜中反射，屏幕上的圖像就可能出現(xiàn)嚴(yán)重的重影。

阻抗突變是阻抗不連續(xù)的一種典型表現(xiàn)，一般發(fā)生在傳輸鏈路上發(fā)生幾何尺寸明顯變化的地方(典型的就是在連接器插頭段、插座等部位)，也發(fā)生在導(dǎo)體材料突變和絕緣介質(zhì)突變的地方(當(dāng)然，也可能出現(xiàn)在電纜受外力損傷的地方)。用網(wǎng)線舉例說明，例如，雙絞線和水晶頭之間的連接點(diǎn)就是一個(gè)阻抗突變點(diǎn) — 因?yàn)殡p絞線的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和幾何尺寸與水晶頭內(nèi)金屬片的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和幾何尺寸、絕緣材料等均不同，兩者(可經(jīng)計(jì)算得到)的等效阻抗也可能不一樣 —這就會造成阻抗不連續(xù)。再如，雙絞線與模塊(插座)的內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)、幾何尺寸都不相同，等效阻抗也不一樣，兩者相連接時(shí)就會在打線的接觸點(diǎn)上出現(xiàn)阻抗突變的現(xiàn)象。同樣地，水晶頭與模塊的接觸點(diǎn)也是典型的阻抗不連續(xù)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)曾經(jīng)使用的同軸電纜(特性阻抗為 50 歐姆)和有線電視使用的同軸電纜(75 歐姆)特性阻抗不同，兩者前后“誤接”到一起時(shí)也會發(fā)生阻抗突變，突變點(diǎn)就在連接點(diǎn)處。沿著線對向前傳輸?shù)男盘栐谧杩雇蛔凕c(diǎn)會發(fā)生反射，突變越大反射的能量越強(qiáng)，突變越大，反射越強(qiáng)。那么這些回波有什么危害嗎？除了前面提到的同軸電纜阻抗突變會令電視出現(xiàn)重影外，在數(shù)據(jù)電纜中，因?yàn)榍д滓蕴W(wǎng)信號端口上的每個(gè)線對被設(shè)計(jì)成既是發(fā)射端口又是接收端口(也就是說信號的發(fā)射端口上同時(shí)又“并聯(lián)”了一個(gè)接收信號輸入端口)。這樣一來反射回來的信號會回到信號的這個(gè)接收端，此回波信號與對端傳來的正常信號會在此被疊加在一起而被一同接收，致使信號變形、失真，導(dǎo)致識別出錯，丟包率上升。回波也是導(dǎo)致信噪比劣化的又一個(gè)重要因素(回波在此也相當(dāng)于一個(gè)干擾噪聲)。

如果傳輸線的末端開路，此時(shí)可以認(rèn)為開路點(diǎn)阻抗值變成無窮大，“相對”突變值也是無窮大(從 100Ωà+∞Ω，∞是無窮大的意思)，由于突變的“尺度”太大，則信號傳輸?shù)侥┒藭r(shí)會幾乎全部反射回來。總線在末端一般都有一個(gè)“堵頭”，就是用純電阻連接在開路端，全部吸收總線上的電磁波能量，使它們不會反射回總線中去破壞正常的數(shù)據(jù)幀波形。

 如果傳輸線的末端短路，此時(shí)可以認(rèn)為此短路點(diǎn)的阻抗值為“零”(100Ωà0Ω)，“相對”的阻抗突變值也是“尺度”極大，則信號能量傳輸?shù)蕉搪伏c(diǎn)時(shí)也會被幾乎全部反射回來。由此可知，開路和短路是阻抗突變的兩個(gè)極端情形，反射回來的信號能量在此時(shí)此處都是最大的。我們就是利用這點(diǎn)特性來測量電纜的長度和定位開路/短路位置。那么，開路和短路點(diǎn)誰反射能量更大呢？由于兩者都是阻抗極限突變，反射能量都幾乎接近與 100%。

對于特性阻抗為 75 歐姆的同軸線(家用模擬信號電視用的就是這種線)，如果在傳輸線的開路末端(即暫時(shí)不接電視機(jī)的那個(gè)插座上)接上一個(gè) 75 歐姆的純電阻，則模擬有線電視信號傳輸?shù)酱四┒藭r(shí)會被這個(gè)純電阻全部吸收，末端就沒有信號能量會被反射回來，家里其它電視機(jī)就不會有重影出現(xiàn)(注：純數(shù)字電視不存在發(fā)射信號重影的影響)。類似地，對于 100 歐姆 UTP 電纜(非屏蔽雙絞線)，如果在對端的每對線對上各接上一個(gè) 100 歐姆純電阻后，信號能量在對端也會被全部吸收，不會有信號能量反射回來。這種在傳輸線末端接上純電阻的方法是消除信號末端開路反射(回波)的一個(gè)重要技術(shù)，我們習(xí)慣上也把它稱作“終端阻抗匹配”、終端匹配電阻或簡稱“匹配終端”。匹配電阻的阻值必須與傳輸線的特性阻抗值相等，這樣才能將信號能量全部吸收而不反射回去。匹配電阻通常都設(shè)計(jì)制作在網(wǎng)卡端口內(nèi)的電路板上。類似地，在 120Ω總線的兩端也要各接上一個(gè) 120Ω的外接純電阻，可防止信號在總線內(nèi)來回反射(疊加)，避免干擾、破壞正常的總線數(shù)據(jù)幀的傳輸.

其實(shí)，阻抗匹配的概念并不止于此，如果將兩段均勻的同軸電纜連接起來，在連接點(diǎn)處如果“加工”工藝視屏高，金屬銜接平順，沒有出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)意義上的阻抗突變現(xiàn)象，則我們也把這兩段同軸線的連接也稱作匹配。推而廣之，凡是阻抗連續(xù)的連接點(diǎn)我們都說它們是“匹配”的。按照這個(gè)思路，我們就知道通常在雙絞線和模塊的連接點(diǎn)處，阻抗是很可能有“失配”現(xiàn)象存在的，一條布線鏈路中的接插件和連接件所在的位置經(jīng)常也是阻抗不連續(xù)的位置(或者說是阻抗失配的位置)。不連續(xù)的原因主要是傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)或材質(zhì)(包含絕緣介質(zhì)的材質(zhì))發(fā)生了突變。凡是阻抗不連續(xù)點(diǎn)，也“一定是”一個(gè)信號能量的反射點(diǎn)(回波源)。對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)商來說，就是要制作出連接點(diǎn)阻抗盡量平順連續(xù)的產(chǎn)品 —模塊、跳線、各種工業(yè)連接器、各種異型非標(biāo)接插件等等。