确定电路的阻抗以及它如何影响PCB

2022年1月28日

阻抗影响信号如何通过电路板传播，功率如何在组件之间传输，以及信号如何渗透到PCB的不需要的区域。您可以使用许多分析来确定电路的阻抗，但这些分析并不总是产生现实的结果，除非您在模型中包含正确的寄生元件。如果您正在测试原型或设计用于高速或高频信号的电路，则需要了解影响电路阻抗的寄生元件。

理解非线性电路的阻抗如何受输入信号电平的影响也很重要，因为非线性电路元件的阻抗实际上是输入的函数。分析具有非线性元件的电路阻抗变得更加复杂，需要不同类型的分析技术。

电路的阻抗是什么?

术语阻抗描述了电子元件抵抗交流电流的行为。电路由各种不同的元件组成，这些元件在有交流电源时表现不同。

由于电阻器是纯直流元件，所以无论交流电源的频率如何，电阻器都表现一致。它的阻抗是对其电阻的测量:

Z = r

同时，电容阻抗等于电容电抗，电容电抗为:

X_c= 1/2 πfC

电容电抗是角频率的逆函数。随着频率的增加，电容电抗减小。

至于电感，它们的行为方式与电容器类似，除了感抗与角频率成正比，公式为:

X_l= 2πfL

虽然这些是通常与阻抗分析相关的基本组件，但它们并不是电路中唯一存在的组件。在设计中，你可能会有集成电路、二极管、晶体管和其他无源元件，它们可能会给电路引入阻抗。

在更深的层次上，你的走线有一些阻抗，因为它们不能被认为是长电感。电路板本身会影响电路的阻抗和你的迹线。绝缘PCB基板产生寄生电容，而内层的走线和面的排列产生寄生电容和电感．这些寄生效应有助于电容串扰，它们决定了传输线和电力输送网络的阻抗。

如何计算电路的阻抗

线性元件是最简单的电路元件，因为它们的阻抗不是输入电压的函数。基本的电子学原理，如基尔霍夫定律和欧姆定律适用于交流分析，以确定电路的阻抗、电压和电流。

对于串联RLC电路，总阻抗可由下式计算。

Z =√(r²+ (X_l- X_C）²）

由于电容电抗和感应电抗都是角频率的函数，总阻抗用实数和虚数组成的复数表示。

下面是电路阻抗的常用表达式:

Z = R + jX

除了手动计算，您还可以在SPICE模拟器中使用高斯-乔丹方法，这将为您提供电路和各自组件的总阻抗。在时域中，电路元件的排列方式会影响电路向稳态行为的转变，这可以用瞬态分析或者零极分析。

当电路中包含二极管、晶体管、放大器和其他输出是输入信号强度的非线性函数的元件时，阻抗计算变得更加棘手。阻抗实际上是根据在特定输入信号强度下的跨阻抗来定义的。换句话说，如果输入信号强度发生变化，则各非线性电路元件的跨阻抗以及电路的等效阻抗也会发生变化。

对于更复杂的电路和含有非线性元件的电路，需要更先进的仿真和分析技术来确定电路中数字或模拟信号所看到的阻抗。

示例PCB原理图

正确的分析工具和元件电模型可以帮助您分析此原理图中电路的阻抗和行为

PCB布局如何影响电路阻抗

在实际的PCB布局中，信号所看到的阻抗可能与从原理图中确定的理想值有很大差异。这是由于衬底的存在和板上的走线的安排。这就产生了important比如相声，使阻抗从理想值改变。电路可能会遇到电源完整性问题，如电路在高频开关时产生振铃。在更高频率下，电力输送网络的阻抗也会偏离理想的电容行为，这将导致潜在的信号完整性和电力完整性问题。

传输线阻抗

传输线的阻抗可以用许多阻抗值来表征。其中最重要的是特性阻抗，即PCB上传输线与任何其他传输线完全隔离的阻抗。这个值通常是50欧姆，不过根据设备中使用的信号标准，它可能会有不同的值。举个例子，LVDS指定微分对的微分阻抗应为85欧姆。

其他指标用来描述传输线阻抗取决于两条传输线的相对布置。由于PCB基板提供的寄生电容和两条相邻传输线之间的互感，传输线可以用偶模和奇模阻抗来表征，这解释了两条相邻传输线之间的耦合以及两条线如何被驱动(即在共模或差分模式下)。共阻抗和微分阻抗与这些其他值相关，使用于描述传输线的阻抗值总数达到5个。

PCB布局中的蓝色痕迹

如果这些痕迹足够长，它们就像传输线一样。

供电网络阻抗

您的电力输送网络将在较低频率下表现出电容阻抗，并降低到与负载组件和直流接地回路串联的电力母线的电阻。这种阻抗是由您的电源轨道，走线和板内部平面之间的物理分离所主导的。随着驱动频率的增加，电路板中电路之间的互感会导致电力输送网络的阻抗增加。最终，你的阻抗电力输送网络在高频上会出现很多峰。

理想情况下，你的阻抗电力输送网络在你想要工作的范围内应该是平坦的。对于数字信号，相关带宽是时钟频率和膝盖频率之间的所有频率(0.35除以信号上升时间)。如果组成数字信号的所有谐波都看到相同的频率，那么在地平面中返回信号的传递函数将是平坦的。同样的想法也适用于在单板和地平面上传播的模拟信号。

虽然阻抗谱对于识别具有最小功率传输网络阻抗的带宽很重要，但地平面阻抗的空间分布更重要，特别是在混合信号设备中。信号在地平面中传播时，将沿着最小电抗的路径返回地面。理想情况下，星形、点对点或多点拓扑结构中电抗最小的路径应该位于电路板导体的正下方。这将确保您的电路有最小的回路电感和将有最小的易感性EMI。

输电网络的阻抗谱

示例:电力输送网络阻抗谱

PCB基板材料选择与堆叠设计

由于前面提到的寄生效应，您将需要仔细选择一个衬底材料设计你的堆叠。的介电常数衬底的大小将影响产生具有特定阻抗的传输线所需的几何形状，并将影响电力输送网络的阻抗。导体下面的平面的存在也决定了电路中的环路阻抗，这影响了电路的EMI敏感性。

阻抗匹配网络

堆叠将影响电路板设计的许多其他方面，如热阻和路由策略。当与合适的衬底材料结合时，您可以减少信号所看到的损失，同时在整个电路中保持一致的阻抗。在布线过程中，将电路的阻抗维持在一个特定的值对于确保阻抗匹配整个网。当信号转换到传输线行为时，您需要确保传输线、驱动器和接收器具有一致的阻抗，以防止信号反射。

过孔，走线，铜倒，和3D PCB布局中的组件

在这种布局中，您需要确定传输线和通孔的阻抗

通过阻抗

就像PCB基板在相邻的导电元件之间会有一些寄生一样多层板中的过孔．过孔本质上是一个充满空气或导电环氧树脂填充核心的小电感器。通孔的电感是在纳亨利的量级上，主要取决于它的纵横比。过孔也具有自电容，并且组过孔具有一定的互电容和互感。这导致过孔之间的噪声耦合，并导致过孔作为阻抗不连续时，放置在传输线。一般来说，在高速和高频电路中，通孔的使用通常保持在最低限度。

测量和分析电路中的阻抗

电路阻抗可以通过包括信号发生器、示波器和未知阻抗负载的设置来测量。它涉及分析输出振幅和相移相对于特定频率的输入信号。像阻抗计和阻抗分析仪这样的设备也是阻抗测量的很好的选择。

但是，上述措施只适用于有成品的情况。如果你正在设计一个电路，你将需要仿真和分析工具来确定电路的阻抗。

如果您可以使用基于spice的模拟器，则可以使用AC轻松确定线性电路的阻抗频率扫描你可以看到a中电路的传递函数波德图．这些工具可用于显示设计中电路块的总阻抗，以及电路块如何影响输入信号的幅度和相位。

PCB布局中的导体和通孔

这些通孔和导体将影响整个电路板信号所看到的阻抗。

对于非线性电路，您将需要使用更高级的分析。使用非线性电路最突出的工具是使用直流扫描，因为这告诉你直流输入电压如何传播输出电压和电流。当与交流信号或任意振荡波形，您可以使用小信号分析来检查某些工作点周围的变化。这个分析告诉你电路中一个特定工作电压周围的电路的跨阻。一个更强大的技术是谐波平衡分析，它告诉你正弦信号及其谐波在非线性电路中的表现。

Cadence的全套PCB设计与分析对于任何应用，工具对于确定电路的阻抗都是非常有用的。