如何理解PCB的特征阻抗？

如何理解PCB的特征阻抗？

特征阻抗是PCB设计中的一个关键参数，特别是在高速信号传输场景下。本文将详细介绍特征阻抗的定义、影响因素以及如何实现阻抗匹配，帮助读者深入理解这一重要概念。

什么是特征阻抗？

传输线的特征阻抗（Characteristic impedance），又称为特性阻抗，是指传输线在传播电磁信号时，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。

在DDR、PCIE差分或者是SATA等高速信号传输应用场景下，信号传输线已经不能看作理想导线，需要考虑，如寄生电阻、寄生电容、寄生电感等寄生参数。

单位长度的传输线可以等效为以下模型：

该模型的阻抗表达式为：

理论上精确的特性阻抗是一个与频率相关的量。但是实际应用中，传输线电阻的部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不计，即上面公式中的R和G为0。近似为无损传输线。

对于无损传输线，阻抗表达式可以表示为：

其中L是单位长度传输线的固有电感，C是单位长度传输线的固有电容。通过这个简单的计算公式能看出来，要改变传输线的特征阻抗就要改变单位长度传输线的固有电感和电容。

PCB走线常说的控制50Ω，同轴线阻抗50Ω或75Ω。在不精确的要求下，阻抗是与频率不相关的。

影响传输线特征阻抗的因素

影响特征阻抗的因素（以微带线为例）

• 线宽：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。
• 介电常数：介电常数与特征阻抗成反比，提高介电常数相当于增大电容。
• 传输线到参考平面的距离：增加传输线与参考平面的距离相当于减小了电容，也就减小了特征阻抗。
• 导线厚度：导线厚度与特征阻抗成反比，由于趋肤效应，影响较其他因素小。

如何做阻抗匹配？

阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的概念，对于传输线来讲，即所有的高频信号都能传至负载点，不会有信号反射回来。

微带线PCB传输线模型

阻抗匹配大体上有两种方式：改变特征阻抗（lumped-circuit matching）和调整传输线的波长（transmission line matching）。

在做阻抗匹配的时候，我们需要用到史密斯圆图：

史密斯圆图水平线：纯粹代表阻抗的实部，即电阻。

圆圈：代表阻抗圆。

上半圆：表示实部和正虚部（电感区域）。

下半圆：表示实部和负虚部（电容区域）。

• 改变特征阻抗

把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，相应的阻抗点会沿着阻抗圆走动。对应的调整电容与电感，来调整传输线的特征阻抗，使输入阻抗和输出阻抗匹配。

• 调整传输线的波长

调整传输线的波长可以通过改变传输线的长度来实现。例如，通过增加传输线的长度，可以使得信号在传输过程中经历更多的相位变化，从而在特定长度处实现阻抗的匹配。在实际应用中，可以短截线匹配法或四分之一波长阻抗变换器等来进行阻抗匹配。

阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，当它的内阻即是负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。

以输出阻抗50Ω的宽频放大器为例，如果需要最大功率传输，信号不发生反射时，需要考虑阻抗匹配。假如信号波长远远大于电缆长度时，就无须考虑阻抗匹配。