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浅谈传输线的特征阻抗
1、传输线特性阻抗概念特性阻抗不是个基础概念，而是应用于传输线的概念。在高速应用场景，信号传输线已经不能看作理想导线，不能忽略传输线上的一些寄生参数，如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。
单位长度的传输线可以等效为以下模型：
这个等效模型是如何产生的呢，我们做下详细的阐述：
信号在传输线中，类同于水管中的流水，是需要有过程的，电磁场的建立也是需要一个过程的，信号不是一下子从发射端传播到接收端。
信号线与信号线、信号线与参考平面之间充满了分布电阻、电容与分布电感，或者说寄生电阻、寄生电容与寄生电感（实际应用中，传输线的电阻部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不计，即上式中的R和G为0，近似为无损传输线。对于无损传输线，阻抗表达式如上）。信号每向前传播一步都会遇到特定的电容参数与电感参数。信号在传输线一步一步传播的过程中会遇到不同的Z，如果传输线做的非常均匀（这也是传输线要均匀阻抗控制的原因），那么阻抗Z就处处相等，我们成这个处处都相等的阻抗为特性阻抗：
我们所说的阻抗控制，实际上就是控制特征阻抗，需要让传输线整体均匀，阻抗趋于一直，减小反射。
备注：整条传输线的寄生L和寄生C的计算：
如果一条传输线长度为Z，那么它的总电容就是Z*C，单位长度电容一般为几pF；如果一条传输线长度为Z，那么它的回路电感就是Z*L，单位长度电感一般为几nH。
2.常见的特征阻抗值在电路中我们经常会看到各种阻抗控制要求，有50Ω阻抗要求、75Ω阻抗要求、90Ω阻抗要求、Ω阻抗要求、Ω阻抗要求等，各种应用场景如下：
1）视频信号线阻抗控制为：75欧姆。
2）USB信号线差分阻抗为：90欧姆。
3）以太网差分信号线差分阻抗为：欧姆。
4）RS、RS、CAN差分信号的差分阻抗为：欧姆
这些阻抗控制数值是如何确定的，我们选择一个单线的50欧姆特征阻抗和双线Ω的差分阻抗做一下简介。
2.1典型特征阻抗之50Ω阻抗选择50Ω作为高频特征阻抗匹配是基于功率容量、抗击穿电压和衰减之间的综合考虑的结果，如下图，插入损耗最小，约为77欧姆。另一方面，如果绘制最大功率传输与特征阻抗的关系曲线，则最大功率约为30欧姆。
当最大功率传输时，特征阻抗值为30欧姆，而理论上最小衰减（损耗）的特征阻抗为77.5欧姆。在传输功率和最小衰减两个值之间寻找矛盾平衡点，选择传输线的阻抗值为50Ohm。所以，50欧姆的定义真的是那么简单。
另一方面，当在较长的同轴电缆（如电缆或卫星电视）中要求最小的损耗时，对功率传输的优化就不再那么担心了，因此在这些系统中使用阻抗更高的75欧姆电缆和连接器。
2.2差分线Ω阻抗单端做匹配时是50欧姆阻抗，我已经了解，那么差分线为什么是Ω呢，如何来理解这个事情？
如下图4中的差分线，我们单独对每根传输线并联一个Z（这里假设50Ω）的特征阻抗到地。
图中其实已经比较直观的表明了：
因为：I1=-I2
所以：事实上没有电流通过地到这两个Z，也就是说可以把他们合并成为一个整体，如上图的右边红色部分，其大小为2Z，这就是差分阻抗是Ω的原因。
实际上，如果这两个传输线之间的间隔太近，他们之间是存在耦合的，正因为这种耦合的存在，每根线上的的阻抗并不是Z。具体的推理过程就不详述了，我们假设耦合系数是k，所以实际上的阻抗值应该是：
Z=2Z（1-k）。
3.阻抗匹配设计3.1先介绍几个基本概念1、阻抗匹配：信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。否则，便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。
2、输入阻抗：指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。
-对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；
-对于对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。
3、输出阻抗：无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，对于一个理想的电压源（包括电源），内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实中的电压源，则不能做到这一点。
我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r，就是（信号源/放大器输出/电源）内阻了。当这个电压源给负载供电时，就会有电流I从这个负载上流过，并在这个电阻上产生I×r的电压降。
这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率（关于为什么会限制最大输出功率，请看后面的“阻抗匹配”一问）。同样的，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。
3.2阻抗匹配浅谈阻抗匹配一般分两类：
第一类是负载与传输线之间的阻抗匹配
使负载无反射，方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。我们上面讨论的最大功率传输的阻抗匹配就是负载与传输线之间的阻抗匹配。负载阻抗匹配：分为集总参数匹配电路和分布参数匹配电路，这就是我们上面证明的。
第二类是信号源与传输线之间匹配，分为两种情况：
1）使信号源无反射，方法是接入信号源与传输线之间接入匹配装置。
2）信号源共轭匹配，方法是信号源与被匹配电路之间接入匹配装置，这种情况下多属于有源电路设计。
4.PCB特征阻抗的设计目前PCB生产厂家经常使用polarsi软件来计算特征阻抗。下面以单端信号线为例。设置参数有4个：介电常数、介质厚度、线宽和铜箔厚度。
介电常数Er1：板材的介电常数，一般FR4板材4.2-4.5。
介质厚度H1：板材或PP的厚度。
线宽W1/W2：PCB布线的线宽。
铜箔厚度：根据实际情况，有0.5/1/2OZ等。
从上面50Ω单端信号线的例子计算大家应该清楚可以知道，为什么2层板的信号线很难做50Ω阻抗匹配？
