阻抗匹配中50欧姆的由来
为什么示波器阻抗偏偏是1M和50欧？
为什么示波器阻抗偏偏是1M和50欧？用过示波器的看官都会发现，带宽超过200M的示波器大多会有两种输入阻抗可供选择。
一种是常见1MΩ，一种就是本文的主角50Ω。
这个50Ω是做什么用的呢，输入阻抗不应该是越高越好么。
接下来我们将一起来了解这个神秘的50Ω。
一．传输线就像讲历史，不得不插一段军事理论课一样，想把我们的50Ω讲明白，那也不得不讲一下这个传输线了。
众所周知，电信号实际上是以电磁波的形式在传输线中传播的。
当传输线的尺寸不再远小于电磁波波长时，就不得不考虑这个“波”的特性了。
光在传输介质发生改变时会发生反射，电信号也一样。
反射会带来什么呢，您的信号可能就会成这样。
是不是整个人都不怎么好了。
为了不让反射发生，就出现了均匀传输线，如PCB微带线，同轴线等，他们介质均匀，任何一点横截面几何结构相同，这样就可以保证电信号不会在传输线内发生反射了。
但是问题又来了，送君千里，终须一别，传输线早晚还是要把信号交给信号的负载的。
信号一旦来到传输线终点，岂不是还是要发生反射么。
还好我们的电信号不像光那么矫情。
只要保证她的瞬时阻抗不变，她也能将就一下不反射回去。
瞬时阻抗就是电信号在传输线上某一点所受的阻抗，经过研究发现，均匀传输线的瞬时阻抗是个纯阻性的，与频率无关，就像个电阻，而且瞬时阻抗只与传输线的几何结构和填充材料有关，所以又叫做特性阻抗。
既然瞬时阻抗像电阻，那我们就给负载并联一个电阻，让总阻值和特性阻抗相等，这样信号就不会有太大的反感，会屈尊降贵的传到负载中去而不会反射回来，您的电路也就清净了。
这种方法叫做终端匹配。
还有一种方法就是源端匹配，即在源端串入一个电阻，使其与信号源的输出电阻相加等于传输线的特性阻抗，这样就可以让反射波的负载与传输线阻抗相等，从而吸收反射波，不让其在传输线上撞来撞去。
很多时候这两种匹配是同时用的。
二．著名的50Ω特性阻抗大小会影响信号传输功率、传输损耗、串扰等电气性能，而其板材和几何结构又影响制造成本，这种情况只能找一个折中值。
芯片内部50欧姆阻抗
芯片内部50欧姆阻抗引言芯片内部的阻抗是指芯片内部电路在工作时对电流和电压的阻碍程度。
在设计和制造芯片时，合理控制芯片内部的阻抗是非常重要的，因为它直接影响到芯片的性能和稳定性。
本文将详细介绍芯片内部50欧姆阻抗的意义、实现方法以及其在不同应用中的重要性。
芯片内部50欧姆阻抗的意义在电子学中，50欧姆是一个非常重要的标准阻抗值。
这个数值源于传输线理论，在许多高频应用中被广泛采用。
具有50欧姆特性阻抗的传输线可以实现最佳信号传输效果，并且能够最大限度地减小信号反射、干扰和功耗。
在芯片设计中，采用50欧姆阻抗可以保证信号在芯片内部和外部之间传输时不会出现失真、反射或干扰等问题。
这对于高速通信、射频应用和模拟电路等领域来说尤为重要。
通过保持恒定的阻抗匹配，芯片内部50欧姆阻抗可以提高信号质量、降低功耗，并且增强芯片的可靠性和稳定性。
芯片内部50欧姆阻抗的实现方法实现芯片内部50欧姆阻抗需要考虑多个因素，包括材料选择、布局设计和工艺参数等。
下面将详细介绍几种常见的实现方法：1. 传输线设计在芯片设计中，传输线是实现50欧姆阻抗的关键部分。
通过合理设计传输线的宽度、间距和层间结构等参数，可以实现所需的阻抗匹配。
常用的传输线结构包括微带线、共面波导和同轴电缆等。
2. 材料选择选择适合的材料也是实现50欧姆阻抗的重要考虑因素。
常用的材料包括有机聚合物、硅基材料和氮化硅等。
这些材料具有不同的介电常数和损耗因子，对于信号传输特性有着直接影响。
通过选择合适的材料，可以获得稳定且精确的50欧姆阻抗。
3. 布局设计合理的布局设计可以减小信号的串扰和电磁干扰，保证信号质量和阻抗匹配。
在芯片设计中，需要考虑传输线的走向、层间距离、引脚位置等因素。
通过优化布局，可以最大限度地减小信号反射和损耗，提高芯片性能。
4. 工艺参数控制在芯片制造过程中，工艺参数的控制对于实现50欧姆阻抗也至关重要。
例如，在金属线宽度、介质厚度和金属层间距等方面的控制可以直接影响阻抗数值。
阻抗匹配中50欧姆的由来.
阻抗匹配中 50欧姆的由来为什么大多数工程师喜欢用 50欧姆作为 PCB 的传输线阻抗(有时候这个值甚至就是 PCB 板的缺省值 ,为什么不是 60或者是 70欧姆呢?对于宽度确定的走线, 3个主要的因素会影响 PCB 走线的阻抗。
首先,是 PCB 走线近区场的 EMI (电磁干扰和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的,高度越低意味着辐射越小。
其次,串扰会随走线高度有显著的变化,把高度减少一半,串扰会减少到近四分之一。
最后,高度越低阻抗越小,不易受电容性负载影响。
所有的三个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面。
阻止你把走线高度降到零的原因是,大多数芯片驱动不了阻抗小于 50欧姆的传输线。
(这个规则的特例是可以驱动 27欧姆的 Rambus ,以及 National 的的 BTL 系列,它可以驱动 17欧姆并不是所有的情况都是用 50欧姆最好。
例如, 8080处理器的很老的 NMOS 结构,工作在100KHz ,没有 EMI , 串扰和电容性负载的问题,它也不能驱动 50欧姆。
对于这个处理器来说,高的阻抗意味着低功耗, 你要尽可能的用细的, 高的这样有高阻抗的线。
纯机械的角度也要考虑到。
例如,从密度上讲,多层板层间距离很小, 70欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到。
这种情况,你应该用 50欧姆,它的线宽更加宽,更易于制造。
同轴电缆的阻抗又是怎么样的呢?在 RF 领域, 和 PCB 中考虑的问题不一样, 但是 RF 工业中同轴电缆也有类似的阻抗范围。
根据 IEC 的出版物(1967年 , 75欧姆是一个常见的同轴电缆(注:空气作为绝缘层阻抗标准,因为你可以和一些常见的天线配置相匹配。
它也定义了一种基于固态聚乙烯的 50欧姆电缆,因为对于直径固定的外部屏蔽层和介电常数固定为 2.2(固态聚乙烯的介电常数的时候, 50欧姆阻抗趋肤效应损耗最小。
你可以从基本的物理学来证明 50欧姆是最好的,电缆的趋肤效应损耗 L (以分贝做单位和总的趋肤效应电阻 R (单位长度除以特性阻抗 Z0成正比。
Why50ohms
-----------大哥牛于2008年7月30日 晚上21:30
2 of 2
2008-8-5 20:53
评论： 花了一个多小时翻译了这篇文章，以前一直都说阻抗匹配啊，什么50欧姆，75欧姆啊，但是确无 法说出原因来。凡是最会是有原因的，这篇文章很好的解释了用50欧姆的原因，由来。
1 of 2ຫໍສະໝຸດ 2008-8-5 20:53
为什么要用50欧姆
/articles/why-50-ohms.html
你可以从基本的物理学来证明50欧姆是最好的，电缆的趋肤效应损耗L（以分贝做单位）和总的趋 肤效应电阻R（单位长度）除以特性阻抗Z0成正比。总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻 之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时，和它的直径d2成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电 阻在高频时，和他的直径d1成反比。总共的串联电阻R，因此和(1/d2 +1/d1)成正比。综合这些因 素，给定d2和相应的隔离材料的介电常数ER，你可以用以下公式来减少趋肤效应损耗。
在任何关于电磁场和微波的基础书中，你都可以找到Z0是d2，d1和ER的函数
把公式2带入公式1中，分子分母同时乘以d2,整理得到
公式3分离出常数项( /60)*(1/d2),有效的项((1+d2 /d1 )/ln(d2 /d1 ))确定最小点。仔细查看 公式三公式的最小值点仅由d2 /d1控制，和ER以及固定值d2无关。以d2 /d1为参数，为L做图，显示 d2 /d1=3.5911时，取得最小值。假定固态聚乙烯的介电常数为2.25，d2 /d1=3.5911得出特性阻抗 为51.1欧姆。很久之前，无线电工程师为了方便使用，把这个值近似为50欧姆作为同轴电缆最优 值。这证明了在50欧姆附近，L是最小的。但这并不影响你使用其他阻抗。例如，你做一个75欧姆 的电缆，有着同样的屏蔽层直径和绝缘体，趋肤效应损耗会增加12%。不同的绝缘体，用最优d2 /d1比例产生的最优阻抗会略有不同。
50及75ohm阻抗匹配的由来
对于给定的 bBiblioteka 可求得当 ( b ⁄ a ) =
e 时，上式有最大值，此时
Z 0 = 60 ln ( b ⁄ a ) = 30 Ω
• 另一方面，同轴电缆的衰减常数 α 可以近似表示为
r α ≈ -------2 Z0
假定损耗完全由趋肤效应所引起，那么
1 - 1 1 r = ------------- + -- ,δ = 2 π δσ a b 2 ----------ωµσ
b a
若使用空气介质 , Z 0 = 60 ln ( b ⁄ a ) , 所传输的最大功率为
2 ⋅ b2 2 Ed [ aE d ln ( b ⁄ a ) ] 2 Vp ln ( b ⁄ a ) - ⋅ ------------------- = ------------------------------------ = --------------P = -------2 2 ⋅ 60 ( b ⁄ a ) 2 Z0 2 ⋅ 60 ln ( b ⁄ a )
α 可以改写为
1 (1 + b ⁄ a) - ⋅ ----------------------α ≈ k ⋅ -b ln ( b ⁄ a )
其中 k 为一个常数。对于给定的 b，当 ( b ⁄ a ) ≈ 3.59 时 α 存在最小值，此时 Z0=77Ω • 综合以上两点， 50 或 75Ω 的阻抗值是同轴电缆功率传输能力和信号衰减 的折衷取值
50/75Ω匹配的由来
• 这是由同轴电缆的大功率传输能力和衰减特性导出的 • 同轴电缆能够传输的最大信号强度受其介质击穿电压 / 电场 的限制，对于空气，这一电场为 Ed=3×106 V/m，相应电压
µr b 为 V p = aE d ln ( b ⁄ a ) ; 同轴电缆的特征阻抗为 Z 0 = 60 ---- ln --, εr a
天线阻抗匹配 特性阻抗50欧姆
常见的射频同轴电缆绝大部分是５０Ω特性阻抗的，这是为什么呢？
通常认为导体的截面积越大损耗就越低，但事实并非完全如此。
同轴电缆的每单位长度的损耗是ｌｏｇＤ/ｄ的函数，也就是说和电缆的特性阻抗有关。
经过计算可以发现，当同轴电缆的特性阻抗为７７Ω时，单位长度的损耗最低。
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L4 G% y, F1 l6 t) E; Q0 W
对于同轴电缆的最大承受功率，通常认为内外导体的间距越大，则同轴电缆可承受电压越高，即承受功率越大，但实际上也不完全准确。
同轴电缆的最大承受功率同样与其特性阻抗有关。
可以计算出当同轴电缆的特性阻抗为３０Ω时，其承受的功率最大。
. a3 s4 J& p; d1 P& O& Q# `
为了兼顾最小的损耗和最大的功率容量，应该在７７Ω和３０Ω之间找一个适当的数值。
二者的算术平均值为５３．５Ω，而几何平均值为４８．０６Ω；选取５０Ω的特性阻抗可以做到二者兼顾。
此外，５０Ω阻抗的连接器也更加容易设计和加工。
绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是５０Ω；在广播电视中则用到７５Ω的电缆。
大部分的测试仪器都是５０Ω的阻抗，如果要测量７５Ω阻抗的器件，可以通过一个５０～７５Ω的阻抗变换器来进行阻抗匹配，但是需要注意这种阻抗变换器有约５．７ｄＢ的插入损耗
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为什么是50欧姆阻抗
It is not always best to use 50Ω. For example, an old NMOS 8080 processor operating at 100 kHz doe have EMI, crosstalk, or capacitive-loading problems, and it can't drive 50Ω anyway. For this processor because very high-impedance lines minimize the operating power, you should use the thinnest, highes impedance lines you can make.
A: Given a fixed trace width, three factors heavily influence pc-board-trace impedance decisions. First near-field EMI from a pc-board trace is proportional to the height of the trace above the nearest refere plane; less height means less radiation. Second, crosstalk varies dramatically with trace height; cutting height in half reduces crosstalk by a factor of almost four. Third, lower heights generate lower impedances, which are less susceptible to capacitive loading.
射频系统中的50欧姆特性阻抗
射频系统中的50欧姆特性阻抗射频行业里，经常会听到一些说法，这根电缆的特性阻抗是50欧姆，这条微带线的特性阻抗是50欧姆等等。
此时很多初学者或者行业外的人就范嘀咕了：什么？？导线的阻抗有50欧姆？那这根导线的质量也太差了吧！什么？？一米长阻抗为50欧姆的微波电缆要500rmb？？你在逗我吗？没错，射频单盘中的信号走线大多是特性阻抗为50欧姆的微带线；一根一米长，可以传输最高频率为20GHZ信号的50欧姆同轴电缆要500rmb。
造成这些误解的原因，我们要区分两个物理量：一个是阻抗；一个是特性阻抗。
后者相对前者多了特性二字。
阻抗表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
电阻的单位是欧姆。
特性阻抗，是射频传输线影响高频电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，等于各处的电压与电流的比值，特性阻抗的单位也是欧姆。
要理解特性阻抗的概念，我们先要弄清楚什么是传输线。
简单的说，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，传输线对信号的幅度和相位影响是很小的。
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线，我们要用长线传输里的理论来解决问题。
在传输线是长线的前提下，传输线的模型不再是一根阻抗很低的导线模型，而是分布参数网络。
如图1所示，传输线经常用双线来示意，图1中无穷小长度△z的一段线可以模拟为图2中的一个集总元件电路，其中R，L，G，C为单位长度的量，定义如下：R表示单位长度的串联电阻，单位为/ML表示单位长度的串联电感，单位为H/MG表示单位长度的并联电导，单位为S/MC表示单位长度的并联电容，单位为F/M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，会产生电流和电压，电压和电流的比值就是这根导线的特性阻抗Z。
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阻抗匹配中50欧姆的由来
为什么大多数工程师喜欢用50欧姆作为PCB的传输线阻抗（有时候这个值甚至就是PCB板的缺省值），为什么不是60或者是70欧姆呢？
对于宽度确定的走线，3个主要的因素会影响PCB走线的阻抗。
首先，是PCB走线近区场的EMI（电磁干扰）和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的，高度越低意味着辐射越小。
其次，串扰会随走线高度有显著的变化，把高度减少一半，串扰会减少到近四分之一。
最后，高度越低阻抗越小，不易受电容性负载影响。
所有的三个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面。
阻止你把走线高度降到零的原因是，大多数芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线。
（这个规则的特例是可以驱动27欧姆的Rambus，以及National的的BTL系列，它可以驱动17欧姆）并不是所有的情况都是用50欧姆最好。
例如，8080处理器的很老的NMOS结构，工作在100KHz，没有EMI，串扰和电容性负载的问题，它也不能驱动50欧姆。
对于这个处理器来说，高的阻抗意味着低功耗，你要尽可能的用细的，高的这样有高阻抗的线。
纯机械的角度也要考虑到。
例如，从密度上讲，多层板层间距离很小，70欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到。
这种情况，你应该用50欧姆，它的线宽更加宽，更易于制造。
同轴电缆的阻抗又是怎么样的呢？在RF领域，和PCB中考虑的问题不一样，但是RF工业中同轴电缆也有类似的阻抗范围。
根据IEC的出版物（1967年），75欧姆是一个常见的同轴电缆（注：空气作为绝缘层）阻抗标准，因为你可以和一些常见的天线配置相匹配。
它也定义了一种基于固态聚乙烯的50欧姆电缆，因为对于直径固定的外部屏蔽层和介电常数固定为2.2（固态聚乙烯的介电常数）的时候，50欧姆阻抗趋肤效应损耗最小。
你可以从基本的物理学来证明50欧姆是最好的，电缆的趋肤效应损耗L（以分贝做单位）和总的趋肤效应电阻R（单位长度）除以特性阻抗Z0成正比。
总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻之和。
屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时，和它的直径
d2成反比。
同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时，和他的直径d1成反比。
总共的串联电阻R，因此和(1/d2 +1/d1)成正比。
综合这些因素，给定d2和相应的隔离材料的介电常数ER，你可以用以下公式来减少趋肤效应损耗。
（1）在任何关于电磁场和微波的基础书中，你都可以找到Z0是d2，d1和ER（博主注：绝缘层的相对介电常数）的函数
（2）把公式2带入公式1中，分子分母同时乘以d2,整理得到
（3）
公式3分离出常数项(/60)*(1/d2),有效的项((1+d2/d1 )/ln(d2/d1 ))确定最小点。
仔细查看公式三公式的最小值点仅由d2/d1控制，和ER以及固定值d2无关。
以d2/d1为参数，为L做图，显示d2/d1=3.5911时（注：解一个超越方程），取得最小值。
假定固态聚乙烯的介电常数为2.25，d2/d1=3.5911得出特性阻抗为51.1欧姆。
很久之前，无
线电工程师为了方便使用，把这个值近似为50欧姆作为同轴电缆最优值。
这证明了在50欧姆附近，L是最小的。
但这并不影响你使用其他阻抗。
例如，你做一个75欧姆的电缆，有着同样的屏蔽层直径（注：d2）和绝缘体（注：ER），趋肤效应损耗会增加12%。
不同的绝缘体，用最优d2/d1比例产生的最优阻抗会略有不同（注：比如空气绝缘就对应77欧姆左右，工程师取值75欧姆方便使用）。
其他补充：上述推导也解释了为什么75欧姆电视电缆切面是藕状空芯结构而50欧姆通信电缆是实芯的。
还有一个重要提示，只要经济情况许可，尽量选择大外径电缆（博主注：d2），除了提高强度外，更主要的原因是，外径越大，内径也越大（最优的径比d2/d1），导体的RF损耗当然就越小。
为什么50欧姆成为了射频传输线的阻抗标准？
鸟牌电子公司提供了一个最为流传的故事版本，来自于Harmon Banning的《电缆：关于50欧姆的来历可能有很多故事》。
在微波应用的初期，二次世界大战期间，阻抗的选择完全依赖于使用的需要.对于大功率的处理，30欧姆和44欧姆常被使用。
另一方面，最低损耗的空气填充线的阻抗是93欧姆。
在那些岁月里，对于很少用的更高频率，没有易弯曲的软电缆，仅仅是填充空气介质的刚性导管。
半刚性电缆诞生于50年代早期，真正的微波软电缆出现是大约10年以后了。
随着技术的进步，需要给出阻抗标准，以便在经济性和方便性上取得平衡。
在美国，50欧姆是一个折中的选择；为联合陆军和海军解决这些问题，一个名为JAN的组织成立了，就是后来的DESC，由MIL特别发展的。
欧洲选择了60欧姆。
事实上，在美国最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的，51.5欧姆是十分常见的。
看到和用到50欧姆到51.5欧姆的适配器/转换器，感觉很奇怪的。
最终50欧姆胜出了，并且特别的导管被制造出来（也可能是装修工人略微改变了他们管子的直径）。
不久以后，在象Hewlett-Packard这样在业界占统治地位的公司的影响下，欧洲人也被迫改变了。
75欧姆是远程通讯的标准，由于是介质填充线，在77欧姆获得最低的损耗。
93欧姆一直用于短接续，如连接计算机主机和监视器，其低电容的特点，减少了电路的负载，并允许更长的接续；感兴趣的读者可以查阅MIT Rad Lab Series的第9卷，里面有更详细的描述。