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技術(shù)專題
電路設(shè)計確定阻抗及其影響
在電路設(shè)計中，你知道這個電感器將如何影響電路的阻抗嗎？我們都在基本的電子課程中學(xué)習(xí)到每個電路元件都有一定的電阻，但是電路的阻抗同樣重要。在實際的電路板中，通常使用開關(guān)數(shù)字信號或振蕩的模擬信號進行操作，阻抗會影響信號在電路板上的傳播方式，組件之間的功率傳輸方式以及信號滲入PCB多余區(qū)域的方式。
可以使用許多分析來確定電路的阻抗，但是除非在模型中包括正確的寄生元件，否則這些分析并不總能產(chǎn)生真實的結(jié)果。如果要測試原型或設(shè)計用于高速或高頻信號的電路，則需要了解會影響電路阻抗的寄生元件。
了解非線性電路的阻抗如何受輸入信號電平影響也很重要，因為非線性電路元件的阻抗實際上是輸入的函數(shù)。用非線性元件分析電路的阻抗變得更加復(fù)雜，需要使用另一類分析技術(shù)。
什么決定電路的阻抗？
在最基本的水平上，電路的阻抗取決于組件的布置。電阻器，電感器和電容器是三個基本線性電路元件。電阻可以歸類為僅對直流信號提供電阻的組件，即電壓和電流之間的關(guān)系不取決于輸入信號的頻率。相反，電容器和電感器提供電抗，這是一個純復(fù)數(shù)，是頻率的函數(shù)。理想電容器的電抗與信號的角頻率成反比，理想電感器的電抗與信號的角頻率成正比。電路的阻抗是電阻和復(fù)電抗的總和。
在更深的層次上，走線具有一定的阻抗，因為它們不能視為長電感。電路板本身會影響電路和走線的阻抗。絕緣的PCB基板會產(chǎn)生寄生電容，而內(nèi)層中的走線和平面的排列會產(chǎn)生寄生電容和電感。這些寄生效應(yīng)會導(dǎo)致電容性串?dāng)_，并決定傳輸線和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗。
具有線性和非線性電路元件的電路的阻抗
線性元件是最簡單的電路元件，因為它們的阻抗不是輸入電壓的函數(shù)。這意味著可以使用直流和交流電路的電路分析中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則輕松計算輸出電流和/或電壓。SPICE仿真器中使用的Gauss-Jordan方法是根據(jù)線性阻抗定義的，根據(jù)每個電路元件的阻抗檢查電路的等效阻抗。在時域中，電路元件的排列將影響到穩(wěn)態(tài)行為的轉(zhuǎn)變，可以使用瞬態(tài)分析或零極點分析進行分析。
相反，非線性電路包含二極管，晶體管，放大器和其他元件，其中輸出是輸入信號強度的非線性函數(shù)。阻抗實際上是根據(jù)特定輸入信號強度下的跨阻定義的。換句話說，如果輸入信號強度改變，則每個非線性電路元件的跨阻以及電路的等效阻抗也將改變。
理解對阻抗的非線性和線性影響在電路設(shè)計和分析以及解釋PCB原型測試結(jié)果時非常重要。最終，測試結(jié)果應(yīng)告知潛在的設(shè)計更改，其目的是確保系統(tǒng)中的阻抗達到所需的值。
正確的分析工具和組件電氣模型可以幫助你在此原理圖中分析電路的阻抗和行為
布局與電路阻抗之間的關(guān)系
分析電路的阻抗需要了解電子理論的一些基礎(chǔ)知識，例如歐姆定律和基爾霍夫定律。在實際的PCB布局中，由于存在基板以及電路板上的走線排列，信號看到的阻抗可能與你從原理圖確定的理想值有很大差異。這引起了重要的影響，例如傳輸線之間的耦合和串?dāng)_，從而使阻抗從理想值改變。實際電路會遇到電源完整性問題，例如電路在高頻下切換時會產(chǎn)生振鈴。輸電網(wǎng)絡(luò)的阻抗也會偏離高頻下的理想電容行為，這會導(dǎo)致潛在的信號完整性和電源完整性問題。
傳輸線阻抗
可以使用多個阻抗值來表征傳輸線的阻抗。其中最重要的是特性阻抗，它就是與其他傳輸線完全隔離的PCB上傳輸線的阻抗。盡管根據(jù)設(shè)備中使用的信令標(biāo)準(zhǔn)，它可能會采用不同的值，但通常將其定義為50歐姆。例如，LVDS規(guī)定差分對的差分阻抗應(yīng)為85歐姆。
用于描述傳輸線阻抗的其他指標(biāo)取決于兩條傳輸線的相對布置。由于PCB基板提供的寄生電容以及兩條相鄰傳輸線之間的互感，可以使用偶數(shù)和奇數(shù)模式阻抗來表征傳輸線，這說明了兩條相鄰傳輸線之間的耦合以及如何驅(qū)動這兩條線（即，共模或差模）。作為相關(guān)度量，公共阻抗和差分阻抗與這些其他值相關(guān)，從而使用于描述傳輸線的阻抗值總數(shù)達到5。
輸電網(wǎng)絡(luò)阻抗
輸電網(wǎng)絡(luò)將在較低頻率下表現(xiàn)出電容性阻抗，并降低與負載組件和直流接地回路串聯(lián)的電源總線的電阻。該阻抗主要由電源軌，走線和電路板內(nèi)部平面之間的物理隔離所決定。隨著驅(qū)動頻率的增加，電路板上電路之間的互感將導(dǎo)致功率傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗增加。最終，功率傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗將在高頻下出現(xiàn)許多峰值。
理想情況下，供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗應(yīng)在要工作的頻帶內(nèi)保持平坦。對于數(shù)字信號，相關(guān)的帶寬是時鐘頻率和拐點頻率之間的所有頻率（0.35除以信號上升時間）。如果組成數(shù)字信號的所有諧波都具有相同的頻率，則接地平面中返回信號的傳遞函數(shù)將是平坦的。相同的想法適用于遍歷整個電路板和接地層的模擬信號。
雖然阻抗譜對于識別具有最小功率傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗的帶寬很重要，但是接地平面中阻抗的空間分布更為重要，尤其是在混合信號設(shè)備中。在接地平面中傳播時，信號將沿著最小電抗的路徑返回接地回路。理想情況下，星形，點對點或多點拓撲中的電抗最小的路徑應(yīng)直接位于電路板上的導(dǎo)體下方。這將確保
電路具有最小的環(huán)路電感，并且對EMI的敏感性最小。
PCB基板材料選擇和堆疊設(shè)計
由于前面提到的寄生效應(yīng)，需要仔細選擇襯底材料并設(shè)計疊層。基板的介電常數(shù)會影響生產(chǎn)具有特定阻抗的傳輸線所需的幾何形狀，并會影響功率傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗。導(dǎo)體下方平面的存在還決定了電路中的環(huán)路阻抗，這會影響電路的EMI敏感性。
阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)
堆疊會影響電路板設(shè)計的許多其他方面，例如其熱阻和布線策略。與正確的基板材料結(jié)合使用時，可以減少信號所看到的損耗，同時在整個電路中保持一致的阻抗。在布線過程中將電路的阻抗保持在特定值對于確保整個信號鏈的阻抗匹配非常重要。隨著信號轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏斁€行為，需要確保傳輸線，驅(qū)動器和接收器具有一致的阻抗，以防止信號反射。
通過阻抗
就像PCB基板在相鄰的導(dǎo)電元件之間會有一些寄生一樣，多層板中的過孔也一樣。通孔本質(zhì)上是具有空氣填充或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂填充芯的小型電感器。通孔的電感量約為毫微亨，主要取決于其縱橫比。通孔也具有自電容，并且通孔組具有一定的互電容和互感。這導(dǎo)致通孔之間的噪聲耦合，并導(dǎo)致通孔放置在傳輸線上時起阻抗不連續(xù)的作用。通常，在高速和高頻電路中，通孔的使用通常保持較少的數(shù)量。