如何确定電(diàn)路的阻抗

2022-03-25

如何确定電(diàn)路的阻抗

阻抗会影响信号通过電(diàn)路板的传播方式、组件之间的功率交换方式以及信号如何泄漏到 PCB的不需要的部分(fēn)。有(yǒu)几种确定電(diàn)路阻抗的方法，但除非您在模型中包含适当的寄生元件，否则它们不一定会产生实际结果。

阻抗会影响信号通过電(diàn)路板的传播方式、组件之间的功率交换方式以及信号如何泄漏到 PCB的不需要的部分(fēn)。有(yǒu)几种确定電(diàn)路阻抗的方法，但除非您在模型中包含适当的寄生元件，否则它们不一定会产生实际结果。

電(diàn)路的阻抗

阻抗是電(diàn)路的交流特性，可(kě)能(néng)随工作频率而变化。它通常由 Z = R – j/ ωC + jωL 表示，其中 ω= 2πf。

阻抗和電(diàn)阻有(yǒu)什么區(qū)别？

電(diàn)阻和阻抗之间的主要區(qū)别在于電(diàn)阻反对直流和交流電(diàn)流，而阻抗反对交流電(diàn)流。阻抗在直流電(diàn)路中没有(yǒu)意义。

下表列出了一些主要差异：

反抗	阻抗
用(yòng)“R”表示	用(yòng)“Z”表示
不受供電(diàn)频率的影响。	主要取决于供電(diàn)频率。
两个或多(duō)个串联電(diàn)阻可(kě)以算术相加。	应执行矢量加法以求和阻抗。
通过電(diàn)阻的電(diàn)流总是与其上的電(diàn)压同相。	電(diàn)流和電(diàn)压异相。相位差取决于阻抗中存在的電(diàn)感或電(diàn)容。

為(wèi)什么阻抗匹配在PCB中很(hěn)重要？

在高频下，電(diàn)路板走線(xiàn)充当传输線(xiàn)，在每个点具有(yǒu)特定的阻抗值。 阻抗匹配 确保它在整个轨迹的每个点保持恒定。传输線(xiàn)中波动的阻抗会导致信号反射，从而影响信号完整性。 受控阻抗 可(kě)确保信号在通过迹線(xiàn)传播时不会退化。
影响受控阻抗的因素

迹線(xiàn)的阻抗由迹線(xiàn)的物(wù)理(lǐ)尺寸（迹線(xiàn)宽度和厚度）、介電(diàn)常数和到電(diàn)路板材料的参考平面的距离（電(diàn)介质厚度）决定。它的范围在 25 到 125 欧姆之间。以下因素影响 PCBA的阻抗：

影响PCB走線(xiàn)阻抗的因素

铜信号走線(xiàn)的宽度 (w) 和厚度 (T)  （顶部和底部）

 铜迹線(xiàn)任一侧的芯或预浸材料的厚度 (H)

 芯材和预浸材料的介電(diàn)常数 (ER)

与其他(tā)铜特征的距离

受控阻抗对于  信号处理(lǐ)器、電(diàn)信和射频传输等高速应用(yòng)来说是必不可(kě)少的。

什么决定了電(diàn)路板的整體(tǐ)阻抗？

電(diàn)路的阻抗由元件的排列决定。電(diàn)阻器、電(diàn)容器和電(diàn)感器是一些基本電(diàn)路元件。電(diàn)阻器与電(diàn)流相反，電(diàn)阻值与電(diàn)源频率无关。而電(diàn)容器和電(diàn)感器提供的電(diàn)抗是输入信号频率的函数。在理(lǐ)想情况下，電(diàn)容器的電(diàn)抗应与信号的角频率成反比。電(diàn)感器应提供与信号角频率成正比的電(diàn)抗。

除上述参数外，電(diàn)路的阻抗还取决于 PCB基板 和内部导電(diàn)平面。绝缘體(tǐ)与内层一起产生 寄生電(diàn)容 和電(diàn)感。这些寄生元件会导致串扰并影响電(diàn)路的整體(tǐ)阻抗。现在我们将看到阻抗取决于的几个因素。

传输線(xiàn)阻抗

走線(xiàn)的特性阻抗

传输線(xiàn)的阻抗主要取决于其特性阻抗，本质上是完全隔离的传输線(xiàn)的阻抗。用(yòng)于量化传输線(xiàn)阻抗的其他(tā)指标是偶模阻抗和奇模阻抗。偶数模式和奇数模式是信号在成对传输線(xiàn)上传播的两种基本模式。

奇数模式 是当一对中的两条迹線(xiàn)以差分(fēn)方式操作时传输線(xiàn)的阻抗（信号具有(yǒu)相同的幅度和相反的极性）。

偶数模式 是当一对中的两条迹線(xiàn)均匀操作（具有(yǒu)相同幅度和方向的信号）时传输線(xiàn)的阻抗。

传输線(xiàn)阻抗还取决于走線(xiàn)相对于彼此的排列方式。两条相互靠近的走線(xiàn)会经历電(diàn)感和電(diàn)容耦合。这种耦合通常会导致串扰，并且还会改变每条線(xiàn)路上的阻抗。

要了解如何减少 PCB 走線(xiàn)上的阻抗失配，请参阅 如何限制 PCB 传输線(xiàn)中的阻抗不连续性和信号反射。

供電(diàn)网络阻抗

在较低频率下，供電(diàn)网络将具有(yǒu)容性阻抗，从而降低驱动组件和 電(diàn)流返回路径的電(diàn)源总線(xiàn)的電(diàn)阻。電(diàn)源轨、走線(xiàn)和内部平面之间的物(wù)理(lǐ)分(fēn)离定义了 PDN 阻抗。随着输入频率的升高，PDN 阻抗也会升高。

PDN 阻抗与频率的关系。

阻抗谱可(kě)用(yòng)于确定具有(yǒu)最低供電(diàn)网络阻抗的带宽。它应该在整个董事会的运作范围内保持平稳。為(wèi)了保持  電(diàn)路板 的電(diàn)源完整性，接地层的放置至关重要。当向地平面行进时，信号将采用(yòng)電(diàn)抗最小(xiǎo)的路径。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)最少的环路電(diàn)感并且不易受 EMI 的影响。

電(diàn)路板材料选择和堆叠

具有(yǒu)受控阻抗要求的 PCB 叠层

堆叠 是按顺序排列的板材料。上图描绘了一个 4 层堆叠。L1 和 L4 是外层，L2 和 L3 是内层。如前所述，電(diàn)路板堆积中的相邻导電(diàn)层会产生影响電(diàn)路整體(tǐ)阻抗的寄生效应。寄生引起的阻抗失配会在走線(xiàn)上产生反射，最终引入 串扰 和 EMI 问题。

Stack-up 还可(kě)以作為(wèi)向制造商(shāng)表达您的期望的文(wén)档。缺失的信息可(kě)能(néng)会使制造商(shāng)难以或不可(kě)能(néng)准确了解需求。

选择最适合设计的正确材料 是避免这些情况的关键。介電(diàn)常数 (Dk) 会影响具有(yǒu)特定阻抗值的迹線(xiàn)的几何形状。树脂含量和材料厚度是决定材料 Dk 的两个关键因素。它随着厚度的增加而减小(xiǎo)。这意味着树脂含量越高，Dk 值越低。

以下提示将帮助 PCB 设计人员选择合适的材料并避免整體(tǐ)阻抗值的变化。

确定合适的层厚： 较薄的层可(kě)减少环路面积和寄生電(diàn)感，同时增加寄生電(diàn)容。要找到合适的层厚度，您可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)各种层堆栈的模拟工具。

选择具有(yǒu)较低介電(diàn)常数的材料： 具有(yǒu)较高 Dk 值的基板会产生较大的杂散電(diàn)容。始终选择较低的 Dk 基材，尤其是对于高速应用(yòng)。

避免选择树脂含量极低的基材： 树脂含量极低可(kě)能(néng)会导致树脂不足，进而导致阻抗变化。

不要在堆叠中使用(yòng)超过三种不同类型的预浸料：使用(yòng)不同 类型的预浸料 可(kě)能(néng)会有(yǒu)风险，因為(wèi)它会增加最终厚度变化更大的机会。如果使用(yòng)多(duō)种类型的预浸料，复合材料的有(yǒu)效介電(diàn)常数应采用(yòng)加权平均法计算。

过孔阻抗

多(duō)层板 中的 过孔和通孔 将在相邻导電(diàn)元件之间产生寄生效应。通孔的電(diàn)感将在纳亨数量级，主要由其 纵横比决定。过孔的阻抗一般在 25 到 35 欧姆左右。因此，过孔和走線(xiàn)的阻抗（大约 50 欧姆）之间存在显着差异。当通孔放置在导電(diàn)迹線(xiàn)上时，会发生噪声耦合并导致阻抗不连续。始终避免在差分(fēn)对之间放置过孔  以减少不连续性。

确定電(diàn)路阻抗的方法

可(kě)以使用(yòng)以下方法计算電(diàn)路的阻抗。

電(diàn)路仿真

電(diàn)路仿真框图

電(diàn)路仿真 是一种用(yòng)于在制造前验证電(diàn)路板设计功能(néng)的技术。阻抗计算现在包含在许多(duō)PCB设计软件程序中。这里的主要优点之一是可(kě)以修改阻抗设计参数以执行各种模拟。进行模拟后，您可(kě)以选择最佳设计进行制造。

在線(xiàn)计算器

可(kě)以使用(yòng)在線(xiàn)计算器确定受控阻抗或迹線(xiàn)参数。尽管没有(yǒu)模拟工具那么详细，但这些工具可(kě)以让您非常接近只需您的合同制造商(shāng) (CM) 对可(kě)制造性进行最小(xiǎo)调整的地方。

Sierra 電(diàn)路阻抗计算器 采用(yòng)了用(yòng)于PCB传输線(xiàn)的麦克斯韦方程的2D数值解。它产生的数据相当准确，适用(yòng)于電(diàn)路板制造。该工具估计迹線(xiàn)参数，例如電(diàn)容、電(diàn)感、每单位長(cháng)度的传播延迟和结构的有(yǒu)效介電(diàn)常数。

与我们的阻抗工具不同，大多(duō)数免费的在線(xiàn)阻抗计算器都不是很(hěn)准确，因為(wèi)它们基于经验公式，没有(yǒu)考虑走線(xiàn)的梯形形状或众多(duō)介電(diàn)材料的影响。

实用(yòng)方法

按照以下步骤快速得出一个近似的受控阻抗值。

使用(yòng)公式计算走線(xiàn)的上升时间，

t r  = 0.35 / f max 其中 f max 是最大工作频率。

现在，计算最大走線(xiàn)長(cháng)度，

l = t r   x 2 英寸/纳秒(miǎo)

可(kě)以使用(yòng)以下公式计算走線(xiàn)的特性阻抗：

计算PCB走線(xiàn)特性阻抗的公式

在哪里，

εr 是材料的介電(diàn)常数（根据数据表）

H 是地面以上走線(xiàn)的高度

W 是迹線(xiàn)的宽度

T 是迹線(xiàn)的厚度

无论您如何确定電(diàn)路板的阻抗，您都应该与您的合同制造商(shāng) (CM) 合作，因為(wèi) DFM 标准和材料可(kě)用(yòng)性将影响您的電(diàn)路板的生产。如果您在受控阻抗设计方面需要任何帮助，请在评论部分(fēn)告诉我们。