为什么USB的特性阻抗是90欧姆？

高速 USB 信号传输中的特性阻抗分析


引言

USB 是当今信息通信领域中最为成功的输入/输出（I/O）技术，凭借其简单易用、支持热插拔及高速数据传输等特点，广泛应用于个人电脑、移动设备、摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等众多领域。USB 技术的成功与 USB4 标准的发布共同推动了其应用范围的不断扩大。本文旨在探讨 USB 为何采用特定的特性阻抗值 90 欧姆。在理解本话题之前，基础概念的阐述对于正确理解 USB 数据线传输行为至关重要。

特性阻抗的基本概念




特性阻抗是用于描述交流信号（特别是高频信号）在长线传输过程中的一种传输理论概念。在信号通过传输线传输时，电场的持续存在会在线路中产生一个等效电阻，即特征阻抗。这一概念围绕着传输线和参考平面之间形成的电场相互作用展开，计算方式依赖于电路的分布参数，如电感（L0）与电容（C0）的比值，以及传输介质（如双绞线、同轴电缆）的特性，如导电率、导电体形状、绝缘材料的介电常数等。

特性阻抗的作用与计算

通常来说，低频信号的波长远大于传输线长度，很少产生反射问题，意义上无须精确计算特性阻抗。但当信号为高频时，波长与线长接近，则反射信号与原信号混叠，严重影响信号质量，此时特征阻抗的精准匹配成为关键。特征阻抗的连续性主要依赖于 L0、C0 比值的稳定性，以确保信号传输路径上各点的等效阻抗均衡一致，从而避免信号衰减与反射。

USB 特性阻抗的选择

USB 数据线的特性阻抗设计选取为 90 欧姆，这一决定背后有着复杂的研究与实验验证。选择特定的阻抗值是 USB 设计规范的一部分，它与 USB 相关的 PCB 布局、走线宽度、间距、板材等方面的设计紧密相关。90 欧姆设计下的 USB 数据线能有效性减少反射、提升信号完整性和抗干扰能力。选择此值的决策，是基于对传输线原理的深入理解、对信号完整性和系统性能的考量，以及对制造工艺、成本效益的综合评价而做出的选择。例如，USB 采用的差分信号传输技术确保在同一系统中的数据在两根线路中以相反的相位传输，这不仅有助于抑制共模干扰，还能够提升信号幅度和抗电磁干扰能力。

匹配电阻的作用与设计

以阻抗匹配为基础的测量，USB 设备需确保所有的接口、线缆参数均一致于 90 欧姆，这一数值确保了信号传输的稳定性与高效能。在高速数据传输中，存在源阻抗与线阻抗之间的匹配需求，以降低信号反射、振铃及欠冲等问题。所谓匹配电阻，是指在数据线两端添加的电阻器，通过调整其阻值以匹配特定的标准阻抗，从而优化信号传输质量。USB 设计者选择 90 欧姆的原因背后，是经过理论分析、实验验证并最终确定的最佳值。该阻抗值标志着自USB接口 ANSI 规范协议到相关产业链的高度融合与精确求解。