汽車數(shù)據(jù)線纜探討之特性抗阻篇

隨著汽車ADAS的發(fā)展，對車載數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高，想要高速信號傳輸，必須要更精準的特性阻抗。所以，汽車數(shù)據(jù)線纜公司對于特性阻抗的嚴格管控至關(guān)重要！今天我們就來探討一下汽車數(shù)據(jù)線纜特性阻抗的話題。

什么是特性阻抗

汽車數(shù)據(jù)線纜第一指標要求就是特性阻抗，這個特性阻抗是什么意思呢？

在談特性阻抗之前，我們首先要確定一個概念，信號在傳輸線中，是一步一步向前走的，電磁場的建立也是需要一個過程的，信號不是一下子從發(fā)射端傳播到接收端。

信號每向前傳播一步都會遇到特定的電容參數(shù)與電感參數(shù)，這里我們引入兩個新的變量：“單位長度電容C”與“單位長度電感L”。

特性阻抗不是個基礎(chǔ)概念，而是應(yīng)用于傳輸線的概念。在高速應(yīng)用場景，信號傳輸線已經(jīng)不能看作理想導線，不能忽略傳輸線上的一些寄生參數(shù)，如寄生電阻、寄生電容、寄生電感。特性阻抗就是一個綜合傳輸線場景下這些參數(shù)的合成參數(shù)。

單位長度的傳輸線可以等效為以下模型（如圖1所示）：

圖1 傳輸線等效模型

信號每走一步都會遇到C和L，此時的特性阻抗定義為（如圖2a所示），理論上精確的特性阻抗是一個與頻率相關(guān)的量。而在實際應(yīng)用中，傳輸線的電阻部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不計，即上式中的R和G為0，近似為無損傳輸線。對于無損傳輸線，阻抗表達式可以表示為（如圖2b所示）：

圖2 特性阻抗的定義式

特性阻抗對傳輸線的影響

特性阻抗是汽車數(shù)據(jù)線纜非常重要的參數(shù)之一，優(yōu)異的性能離不開阻抗的精確控制。而我們通常所說的阻抗控制，就是為了讓傳輸線盡量均勻，減小反射，控制的就是特性阻抗。

由上面介紹可以知道，特性阻抗的概念是基于兩個及以上的導體，因此需要有良好且完整的參考平面作為回流路徑，我們要避免參考平面被割裂出現(xiàn)跨分割，這可能會導致阻抗不連續(xù)，出現(xiàn)反射（如圖3所示）。

圖3 信號傳輸路徑示意圖

這就好比是你在路面上騎車，路面越平，騎的就越快；如果路面有點小坑，就會很顛簸，速度就會降下來；所以對于高速信號，良好的阻抗控制至關(guān)重要（如圖4所示）。

圖4 阻抗不均勻示意圖

如何測試特性阻抗

汽車數(shù)據(jù)線纜在研發(fā)/設(shè)計驗證、生產(chǎn)測試、品質(zhì)管理等應(yīng)用場景，都需要對產(chǎn)品的特性阻抗進行測試，因此，一套快速、準確、標準的測試方案無疑可以極大的提升測試效率。

關(guān)于特性阻抗的測試，有以下三種方式：

1）用TDR法測阻抗

早在60年代就產(chǎn)生了時域反射計（TDR）技術(shù)。該技術(shù)包括產(chǎn)生沿傳輸線傳播的時間階躍電壓。用示波器檢測來自阻抗的反射，測量輸入電壓與反射電壓比，從而計算不連續(xù)的阻抗（如圖示5所示）。

圖5 TDR測試設(shè)備以及原理圖

2）用網(wǎng)絡(luò)分析儀測輸入阻抗

網(wǎng)絡(luò)分析儀測量測試端口上的輸入阻抗（如圖6所示）。通常這并非電纜的特性阻抗。如果電纜的電氣長度很長，輸入阻抗就是電纜的特性阻抗。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試設(shè)備

3）用LCR表測阻抗

可用所謂“開路短路”法測量低頻特性阻抗（如圖7所示）。在仍可看成是集總元件的最長電纜，通常為1/10波長的電纜上測量開路和短路阻抗。兩次測量結(jié)果之積的平方根即為特性阻抗。這項技術(shù)的缺點是精度低。開路和短路測量可能超出網(wǎng)絡(luò)分析儀的合理精度。更好的方法是用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量開路和短路阻抗，由于使用電流電壓技術(shù)而能測量很寬的阻抗范圍。

圖7 LCR表測試設(shè)備

常見的特性阻抗

汽車數(shù)據(jù)線纜中經(jīng)常看到各種阻抗的電纜，有50Ω、75Ω、90Ω、100Ω、120Ω等，各種應(yīng)用場景如下：

1）視頻信號線阻抗控制為：75Ω。

2）USB信號線差分阻抗為：90Ω。

3）以太網(wǎng)差分信號線差分阻抗為：100Ω。

4）RS422、RS485、CAN差分信號的差分阻抗為：120Ω

這些阻抗控制數(shù)值是如何確定的？我們選擇一個同軸線的50Ω特征阻抗和雙絞線100Ω的差分阻抗做一下簡介。

① 同軸線50Ω阻抗

同軸線選擇50Ω作為高頻特征阻抗匹配是基于功率容量、抗擊穿電壓和衰減之間的綜合考慮的結(jié)果，如下圖，插入損耗最小，約為77Ω。另一方面，如果繪制最大功率傳輸與特征阻抗的關(guān)系曲線，則最大功率約為30Ω。

圖8 50Ω阻抗示意圖

當最大功率傳輸時，特征阻抗值為30Ω，而理論上最小衰減（損耗）的特征阻抗為77.5Ω。在傳輸功率和最小衰減兩個值之間尋找矛盾平衡點，選擇傳輸線的阻抗值為50Ω（如圖8所示）。

另一方面，當在較長的同軸電纜（如電纜或衛(wèi)星電視）中要求最小損耗時，對功率傳輸沒有過高要求時，因此在這些系統(tǒng)中使用了阻抗為75Ω電纜和連接器。

② 差分線100Ω阻抗

單端做匹配時是50Ω阻抗，我們已經(jīng)了解，那么差分線為什么是100Ω呢？如何來理解這個事情？

如下圖9中的差分線，我們單獨對每根傳輸線并聯(lián)一個Z（這里假設(shè)50Ω）的特征阻抗到地。

圖9 100Ω阻抗示意圖

圖中其實已經(jīng)比較直觀的表明了：

因為：I1 = -I2

所以：事實上沒有電流通過地到這兩個Z，也就是說可以把他們合并成為一個整體，如上圖的右邊紅色部分，其大小為2Z，這就是差分阻抗是100Ω的原因。

實際上，如果這兩個傳輸線之間的間隔太近，他們之間是存在耦合的，正因為這種耦合的存在，每根線上的的阻抗并不是Z 。具體的推理過程這里就不詳述了，我們假設(shè)耦合系數(shù)是k，所以實際上的阻抗值應(yīng)該是：Z = 2Z（1-k）。