Điện trở Bí ẩn 50 Ohm: Nguồn Gốc và Lý do Tại Sao Chúng Ta Sử Dụng Nó

Khi chúng ta nói về các thông số S, khớp trở kháng, đường truyền tín hiệu, và các khái niệm cơ bản khác trong thiết kế PCB tốc độ cao/RF, khái niệm về trở kháng 50 Ohm xuất hiện đi đi lại lại. Hãy xem qua các tiêu chuẩn tín hiệu, bảng dữ liệu linh kiện, ghi chú ứng dụng, và hướng dẫn thiết kế trên internet; đây là một giá trị trở kháng xuất hiện lặp đi lặp lại. Vậy nguồn gốc của tiêu chuẩn trở kháng 50 Ohm từ đâu và tại sao nó lại quan trọng? Xét một cách độc lập, việc chọn trở kháng 50 Ohm có vẻ hoàn toàn tùy ý: tại sao không phải là 10 Ohm hoặc 100 Ohm?

Câu trả lời chủ yếu phụ thuộc vào người bạn hỏi. Cộng đồng RF, và đặc biệt là các nhà thiết kế cáp, có câu trả lời tốt nhất, và phân tích của họ về cáp đồng trục ủng hộ lời giải thích của họ. Tôi chưa bao giờ thấy điều này được thảo luận về những gì xảy ra trên một PCB ngoại trừ từ một nguồn tham khảo chuyên gia, nhưng câu trả lời cho PCB liên quan trở lại với cấu trúc nội bộ và đặc tính điện của các mạch logic phổ biến. Nếu bạn sẵn sàng cho một bài học lịch sử về giá trị trở kháng 50 Ohm, thì hãy tiếp tục đọc. Chúng ta thậm chí sẽ tìm hiểu về tiêu chuẩn 75 Ohm để xem chúng ta có thể học được gì về truyền tải tín hiệu và năng lượng trên các kết nối RF.

Lịch sử của Cáp Đồng trục và Trở kháng 50 Ohm

Lịch sử của trở kháng 50 Ohm bắt đầu từ cuối những năm 1920/đầu những năm 1930, khi ngành công nghiệp viễn thông mới chỉ ở giai đoạn đầu. Các kỹ sư đã thiết kế cáp đồng trục chứa không khí cho các bộ phát sóng radio được thiết kế để phát ra công suất hàng kW. Những cáp này cũng sẽ kéo dài hàng trăm dặm. Điều này có nghĩa là các cáp cần được thiết kế với khả năng truyền tải công suất cao nhất, điện áp cao nhất và suy hao thấp nhất. Trở kháng nào nên được sử dụng để đáp ứng tất cả ba mục tiêu này?

Hóa ra, việc cân bằng tất cả ba mục tiêu là không thể, giống như trong nhiều vấn đề thiết kế khác.

• Mất mát thấp nhất: Điều này phụ thuộc vào sự mất mát trong điện môi nội bộ của cáp đồng trục. Đối với cáp đồng trục chứa không khí, điều này xảy ra ở khoảng 77 Ohm, hoặc ở khoảng 50 Ohm đối với một số cáp điền điện môi (xem thêm bên dưới).
• Điện áp cao nhất: Điều này dựa trên trường điện giữa dây dẫn trung tâm và các bức tường bên trong cáp đồng trục chứa không khí. Trường điện trong chế độ TE10 được tối đa hóa khi dây dẫn được thiết kế sao cho trở kháng của nó khoảng 60 Ohm.
• Chuyển giao công suất cao nhất: Cáp đồng trục bất kỳ kích thước nào cũng có thể đủ dài để hoạt động như đường truyền và hỗ trợ sự lan truyền sóng. Công suất được cáp đồng trục mang theo bị giới hạn bởi trường phá hủy và trở kháng của cáp: V2/Z. Hóa ra, đối với cáp đồng trục chứa không khí hoạt động dưới giới hạn TE11, việc chuyển giao công suất được tối đa hóa ở khoảng 30 Ohm.

Biểu đồ dưới đây cho thấy sự đánh đổi giữa tổn thất và công suất. Tệp dưới đây được cung cấp bởi Wikimedia, nhưng bạn có thể tìm thấy các biểu đồ tương tự từ nhiều nguồn tham khảo khác. Bạn cũng có thể tính toán tổn thất sử dụng trở kháng, độ nhám bề mặt đồng/tác động bề mặt và hấp thụ điện môi và tạo ra một biểu đồ tương tự cụ thể cho cáp đồng trục. Việc tính toán công suất yêu cầu sử dụng giải pháp đầy đủ cho chế độ truyền dẫn cơ bản và trở kháng đặc trưng.

Một điểm cần hiểu về đồ thị trên là sự phân tán điện mô thường không được bao gồm và sẽ ảnh hưởng đến kết quả ở các tần số cao hơn. Sự phân tán (cả giá trị Dk và góc mất mát) được coi là có sự phân tán phẳng khi tính toán các đường cong này, có thể không phản ánh đúng thực tế trong phạm vi tần số của bạn. Tuy nhiên, đường cong này cho chúng ta một ý tưởng tốt về lý do tại sao lại có sự tập trung vào trở kháng 50 Ohm.

Thỏa hiệp hay Điện môi?

Câu trả lời nhanh cho câu hỏi này là 50 Ohm là sự thỏa hiệp ít tồi tệ nhất giữa trở kháng tương ứng với mất mát tối thiểu, công suất tối đa, và điện áp tối đa. Thực sự, 50 Ohm khá gần với trung bình giữa 77 và 30 Ohm, và nó gần với 60 Ohm, vì vậy có vẻ tự nhiên khi giả định đây là lý do cho tiêu chuẩn trở kháng 50 Ohm. Tuy nhiên, người ta có thể nhận thấy rằng trở kháng với mất mát tối thiểu trong cáp đồng trục được lấp đầy bằng PTFE chỉ khoảng 50 Ohm, vì vậy đây dường như là một giải thích tự nhiên khác!

Còn trở kháng 75 Ohm thì sao?

Hóa ra, giá trị điện áp không quá quan trọng; bạn lo lắng về việc truyền tải công suất, giảm thiểu tổn thất, hay cố gắng cân bằng cả hai. Cáp đồng trục giá rẻ với lõi không khí hoặc chất điện môi có Dk thấp có thể hướng tới trở kháng 77 Ohm cho các đoạn cáp dài, nhưng lý do tại sao lại làm tròn thành 75 Ohm thay vì sử dụng 77 Ohm vẫn là một bí ẩn đối với tôi. Người ta sẽ nghĩ rằng 75 Ohm là một con số tròn trịa dễ nhớ, trong khi một bài viết bên ngoài trên Microwaves 101 tuyên bố đây là một thiết kế có chủ ý. Trong cáp đồng trục có lõi thép, đường kính chỉ hơi lớn hơn một chút để tạo thêm tí sự linh hoạt, vì vậy trở kháng sẽ ra là 75 Ohm. Dù điều này có đúng hay không, tôi không thể xác nhận, nhưng tôi sẽ chào đón bất kỳ ai liên hệ với tôi trên LinkedIn với câu trả lời!

Biến Đổi Trở Kháng Tham Chiếu

Khi làm việc với các kênh tốc độ cao hoặc tần số cao, chúng ta thường sử dụng các phép đo tham số S như các chỉ số quan trọng về tính toàn vẹn tín hiệu. Những tham số này được định nghĩa dựa trên một trở kháng tham chiếu nào đó, thường được lấy là một trong các giá trị trên (50 hoặc 75 Ohm) vì bạn có thể đang kết nối với một trong những phương tiện này trong hệ thống tốc độ cao/RF của mình. Tôi thích nghĩ về trở kháng tham chiếu dưới dạng trở kháng kết thúc mong muốn của bạn; bạn đang hướng tới trở kháng 75 hoặc 50 Ohm tại mỗi cổng, và các phép đo tham số S cho bạn biết bạn đã lệch khỏi mục tiêu này trong thiết kế của mình như thế nào.

Nếu bạn có một ma trận tham số S đã đo cho một kết nối trên PCB của mình, bạn có thể chuyển đổi nó thành một ma trận tham số S mới với phép biến đổi sau:

Điều này hữu ích để hiểu cách thông số S của bạn có thể thay đổi khi bạn chuyển đổi phương tiện tham chiếu của mình (ví dụ, giữa cáp trở kháng 75 và 50 Ohm). Bằng cách sử dụng thuật ngữ “phương tiện tham chiếu”, chúng tôi đang so sánh DUT/kết nối của chúng tôi với một cáp 50/75 Ohm lý tưởng, cổng 50/75 Ohm, hoặc thành phần khác với trở kháng đầu vào 50/75 Ohm.

Cho dù bạn cần thiết kế với trở kháng 50 Ohm hay một giá trị nào khác, các tính năng bố trí PCB trong Altium Designer® bao gồm các công cụ bạn cần cho thiết kế tốc độ cao và thiết kế RF. Bạn có thể truy cập vào bộ giải 3D từ Simberian tích hợp trong Quản lý Lớp Xếp chồng để thực hiện kiểm soát trở kháng trong xếp chồng PCB của bạn.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.