電(diàn)路设计确定阻抗及其影响

2020-03-23

在電(diàn)路设计中，你知道这个電(diàn)感器将如何影响電(diàn)路的阻抗吗？我们都在基本的電(diàn)子课程中學(xué)习到每个電(diàn)路元件都有(yǒu)一定的電(diàn)阻，但是電(diàn)路的阻抗同样重要。在实际的電(diàn)路板中，通常使用(yòng)开关数字信号或振荡的模拟信号进行操作，阻抗会影响信号在電(diàn)路板上的传播方式，组件之间的功率传输方式以及信号渗入PCB多(duō)余區(qū)域的方式。

可(kě)以使用(yòng)许多(duō)分(fēn)析来确定電(diàn)路的阻抗，但是除非在模型中包括正确的寄生元件，否则这些分(fēn)析并不总能(néng)产生真实的结果。如果要测试原型或设计用(yòng)于高速或高频信号的電(diàn)路，则需要了解会影响電(diàn)路阻抗的寄生元件。

了解非線(xiàn)性電(diàn)路的阻抗如何受输入信号電(diàn)平影响也很(hěn)重要，因為(wèi)非線(xiàn)性電(diàn)路元件的阻抗实际上是输入的函数。用(yòng)非線(xiàn)性元件分(fēn)析電(diàn)路的阻抗变得更加复杂，需要使用(yòng)另一类分(fēn)析技术。

什么决定電(diàn)路的阻抗？

在最基本的水平上，電(diàn)路的阻抗取决于组件的布置。電(diàn)阻器，電(diàn)感器和電(diàn)容器是三个基本線(xiàn)性電(diàn)路元件。電(diàn)阻可(kě)以归类為(wèi)仅对直流信号提供電(diàn)阻的组件，即電(diàn)压和電(diàn)流之间的关系不取决于输入信号的频率。相反，電(diàn)容器和電(diàn)感器提供電(diàn)抗，这是一个纯复数，是频率的函数。理(lǐ)想電(diàn)容器的電(diàn)抗与信号的角频率成反比，理(lǐ)想電(diàn)感器的電(diàn)抗与信号的角频率成正比。電(diàn)路的阻抗是電(diàn)阻和复電(diàn)抗的总和。

在更深的层次上，走線(xiàn)具有(yǒu)一定的阻抗，因為(wèi)它们不能(néng)视為(wèi)長(cháng)電(diàn)感。電(diàn)路板本身会影响電(diàn)路和走線(xiàn)的阻抗。绝缘的PCB基板会产生寄生電(diàn)容，而内层中的走線(xiàn)和平面的排列会产生寄生電(diàn)容和電(diàn)感。这些寄生效应会导致電(diàn)容性串扰，并决定传输線(xiàn)和電(diàn)力传输网络的阻抗。

具有(yǒu)線(xiàn)性和非線(xiàn)性電(diàn)路元件的電(diàn)路的阻抗

線(xiàn)性元件是最简单的電(diàn)路元件，因為(wèi)它们的阻抗不是输入電(diàn)压的函数。这意味着可(kě)以使用(yòng)直流和交流電(diàn)路的電(diàn)路分(fēn)析中的标准规则轻松计算输出電(diàn)流和/或電(diàn)压。SPICE仿真器中使用(yòng)的Gauss-Jordan方法是根据線(xiàn)性阻抗定义的，根据每个電(diàn)路元件的阻抗检查電(diàn)路的等效阻抗。在时域中，電(diàn)路元件的排列将影响到稳态行為(wèi)的转变，可(kě)以使用(yòng)瞬态分(fēn)析或零极点分(fēn)析进行分(fēn)析。

相反，非線(xiàn)性電(diàn)路包含二极管，晶體(tǐ)管，放大器和其他(tā)元件，其中输出是输入信号强度的非線(xiàn)性函数。阻抗实际上是根据特定输入信号强度下的跨阻定义的。换句话说，如果输入信号强度改变，则每个非線(xiàn)性電(diàn)路元件的跨阻以及電(diàn)路的等效阻抗也将改变。

理(lǐ)解对阻抗的非線(xiàn)性和線(xiàn)性影响在電(diàn)路设计和分(fēn)析以及解释PCB原型测试结果时非常重要。最终，测试结果应告知潜在的设计更改，其目的是确保系统中的阻抗达到所需的值。

正确的分(fēn)析工具和组件電(diàn)气模型可(kě)以帮助你在此原理(lǐ)图中分(fēn)析電(diàn)路的阻抗和行為(wèi)

布局与電(diàn)路阻抗之间的关系

分(fēn)析電(diàn)路的阻抗需要了解電(diàn)子理(lǐ)论的一些基础知识，例如欧姆定律和基尔霍夫定律。在实际的PCB布局中，由于存在基板以及電(diàn)路板上的走線(xiàn)排列，信号看到的阻抗可(kě)能(néng)与你从原理(lǐ)图确定的理(lǐ)想值有(yǒu)很(hěn)大差异。这引起了重要的影响，例如传输線(xiàn)之间的耦合和串扰，从而使阻抗从理(lǐ)想值改变。实际電(diàn)路会遇到電(diàn)源完整性问题，例如電(diàn)路在高频下切换时会产生振铃。输電(diàn)网络的阻抗也会偏离高频下的理(lǐ)想電(diàn)容行為(wèi)，这会导致潜在的信号完整性和電(diàn)源完整性问题。

传输線(xiàn)阻抗

可(kě)以使用(yòng)多(duō)个阻抗值来表征传输線(xiàn)的阻抗。其中最重要的是特性阻抗，它就是与其他(tā)传输線(xiàn)完全隔离的PCB上传输線(xiàn)的阻抗。尽管根据设备中使用(yòng)的信令标准，它可(kě)能(néng)会采用(yòng)不同的值，但通常将其定义為(wèi)50欧姆。例如，LVDS规定差分(fēn)对的差分(fēn)阻抗应為(wèi)85欧姆。

用(yòng)于描述传输線(xiàn)阻抗的其他(tā)指标取决于两条传输線(xiàn)的相对布置。由于PCB基板提供的寄生電(diàn)容以及两条相邻传输線(xiàn)之间的互感，可(kě)以使用(yòng)偶数和奇数模式阻抗来表征传输線(xiàn)，这说明了两条相邻传输線(xiàn)之间的耦合以及如何驱动这两条線(xiàn)（即，共模或差模）。作為(wèi)相关度量，公共阻抗和差分(fēn)阻抗与这些其他(tā)值相关，从而使用(yòng)于描述传输線(xiàn)的阻抗值总数达到5。

输電(diàn)网络阻抗

输電(diàn)网络将在较低频率下表现出電(diàn)容性阻抗，并降低与负载组件和直流接地回路串联的電(diàn)源总線(xiàn)的電(diàn)阻。该阻抗主要由電(diàn)源轨，走線(xiàn)和電(diàn)路板内部平面之间的物(wù)理(lǐ)隔离所决定。随着驱动频率的增加，電(diàn)路板上電(diàn)路之间的互感将导致功率传输网络的阻抗增加。最终，功率传输网络的阻抗将在高频下出现许多(duō)峰值。

理(lǐ)想情况下，供電(diàn)网络的阻抗应在要工作的频带内保持平坦。对于数字信号，相关的带宽是时钟频率和拐点频率之间的所有(yǒu)频率（0.35除以信号上升时间）。如果组成数字信号的所有(yǒu)谐波都具有(yǒu)相同的频率，则接地平面中返回信号的传递函数将是平坦的。相同的想法适用(yòng)于遍历整个電(diàn)路板和接地层的模拟信号。

虽然阻抗谱对于识别具有(yǒu)最小(xiǎo)功率传输网络阻抗的带宽很(hěn)重要，但是接地平面中阻抗的空间分(fēn)布更為(wèi)重要，尤其是在混合信号设备中。在接地平面中传播时，信号将沿着最小(xiǎo)電(diàn)抗的路径返回接地回路。理(lǐ)想情况下，星形，点对点或多(duō)点拓扑中的電(diàn)抗最小(xiǎo)的路径应直接位于電(diàn)路板上的导體(tǐ)下方。这将确保 電(diàn)路具有(yǒu)最小(xiǎo)的环路電(diàn)感，并且对EMI的敏感性最小(xiǎo)。

PCB基板材料选择和堆叠设计

由于前面提到的寄生效应，需要仔细选择衬底材料并设计叠层。基板的介電(diàn)常数会影响生产具有(yǒu)特定阻抗的传输線(xiàn)所需的几何形状，并会影响功率传输网络的阻抗。导體(tǐ)下方平面的存在还决定了電(diàn)路中的环路阻抗，这会影响電(diàn)路的EMI敏感性。

阻抗匹配网络

堆叠会影响電(diàn)路板设计的许多(duō)其他(tā)方面，例如其热阻和布線(xiàn)策略。与正确的基板材料结合使用(yòng)时，可(kě)以减少信号所看到的损耗，同时在整个電(diàn)路中保持一致的阻抗。在布線(xiàn)过程中将電(diàn)路的阻抗保持在特定值对于确保整个信号链的阻抗匹配非常重要。随着信号转变為(wèi)传输線(xiàn)行為(wèi)，需要确保传输線(xiàn)，驱动器和接收器具有(yǒu)一致的阻抗，以防止信号反射。

通过阻抗

就像PCB基板在相邻的导電(diàn)元件之间会有(yǒu)一些寄生一样，多(duō)层板中的过孔也一样。通孔本质上是具有(yǒu)空气填充或导電(diàn)环氧树脂填充芯的小(xiǎo)型電(diàn)感器。通孔的電(diàn)感量约為(wèi)毫微亨，主要取决于其纵横比。通孔也具有(yǒu)自電(diàn)容，并且通孔组具有(yǒu)一定的互電(diàn)容和互感。这导致通孔之间的噪声耦合，并导致通孔放置在传输線(xiàn)上时起阻抗不连续的作用(yòng)。通常，在高速和高频電(diàn)路中，通孔的使用(yòng)通常保持较少的数量。