确定电路的阻抗,以及它如何影响你的PCB

2022年1月28日,

阻抗影响信号传播通过董事会,组件之间的电力传输,信号PCB的流血到不必要的领域。有很多分析可以用来确定电路的阻抗,但这些并不总是产生现实的结果,除非你正确的寄生元素包含在您的模型。如果您正在测试一个原型或设计一个电路用于高速或高频信号,你将需要了解的寄生影响电路的阻抗的元素。

同样重要的是要了解非线性电路的阻抗是受到输入信号电平的影响,作为一个非线性电路元件的阻抗是一个函数的输入。分析电路的阻抗与非线性组件变得更加复杂,需要一个不同的类的分析技术。

电路的阻抗是什么?

阻抗这一术语描述了电子元件的行为抵制交流电流。电路是由各种不同的组件在一个交流源的存在。

电阻器的行为一直不管交流电的频率源,因为它是一个纯直流分量。它的阻抗测量的电阻:

Z = R

同时,电容器的阻抗等于其容抗,是由:

X_c= 1/2πfC

容抗的逆函数角频率。随着频率的增加,容抗减小。

至于电感器,他们的行为与电容器以类似的方式,除了感应电阻成正比角频率,公式:

X_l= 2πfl

虽然这些基本组件通常与阻抗相关分析,他们并不是唯一出现在一个电路。设计,你可能有集成电路,二极管、晶体管和其他被动组件,他们可能会引入阻抗电路。

在更深的层次上,你的痕迹有阻抗,他们不能被视为长电感。董事会本身将影响电路的阻抗和你的痕迹。绝缘PCB基板产生寄生电容,而安排的痕迹和飞机内部层创建寄生电容和电感。这些寄生效应导致电容串扰,他们确定输电线路的阻抗和功率输出网络。

如何计算一个电路的阻抗

线性元素是最简单的电路元素,他们的阻抗是不输入电压的函数。基本电子原则如基尔霍夫定律和欧姆定律适用于AC分析来确定电路的阻抗、电压和电流。

一系列RLC电路的总阻抗可由以下公式计算。

Z =√(R²+ (X_l- X_C)²)

作为电容和感应电阻都是角频率的函数,一个复数表达的总阻抗与真实和虚构的组件。

这是一个共同的电路阻抗的表达式:

Z = R + jX

除了手动计算,可以使用Gauss-Jordan方法在香料模拟器,这将给你的总阻抗电路和相应的组件。在时域中,电路元素的安排会影响过渡到稳态行为,可以分析瞬态分析或pole-zero分析。

阻抗计算得到棘手当电路包含元素(如二极管、晶体管、放大器和其他元素的输出是一个非线性函数输入信号强度。互阻抗的阻抗实际上是用定义在一个特定的输入信号强度。换句话说,如果输入信号强度的变化,所以将每个非线性电路元件的互阻抗等效电路的阻抗。

对于更复杂的电路和电路非线性元素,需要更先进的模拟和分析技术来确定阻抗被一个数字或模拟信号电路。

例如PCB原理图

正确的分析工具和组件电气模型可以帮助你分析电路的阻抗和行为在这个示意图

PCB布局如何影响电路阻抗

在实际的PCB布局,所看到的阻抗信号可以非常不同于理想值确定的示意图。这是由于衬底的存在和痕迹在董事会的安排。这产生了重要效果就像相声与理想,从而改变阻抗值。电路可以体验电源完整性问题,如响当电路开关在高频率。功率输出的阻抗网络也会偏离理想的电容行为在更高的频率,导致潜在的信号完整性和电源完整性问题。

传输线阻抗

输电线路的阻抗可以使用大量的特征阻抗值。其中最重要的特性阻抗,它只是PCB上的传输线的阻抗完全隔绝其他传输线。这个值通常是50欧姆,尽管它可能需要一个不同的值取决于你的设备中使用的信号标准。作为一个例子,LVDS指定的差分阻抗微分一对应该是85欧姆。

其他指标用于描述传输线阻抗依赖于相对两个输电线路的安排。由于寄生电容提供PCB基板和两个附近的输电线路之间的互感,传输线阻抗可以使用偶数和奇数的特征模式,占两个附近的输电线路之间的耦合以及两条线(即驱动。在常见的模式或微分模式)。常见和差分阻抗与这些其他值,使总数量的用于描述输电线路阻抗值5。

蓝色的痕迹在PCB布局

这些痕迹可能像输电线路是否足够长。

功率输出网络阻抗

动力输送网络将展示电容阻抗较低频率的阻力,降低电源总线与负载串联组件和地面返回路径。这阻抗由物理分离你的力量rails,痕迹和内部飞机在你的董事会。随着驱动频率的增加,互感电路之间你的董事会将会导致你的动力输送网络的阻抗增加。最终,你的阻抗功率输出网络将展出许多山峰在高频率。

理想情况下,你的阻抗功率输出网络应该带内平坦你想工作。数字信号的相关带宽都是频率时钟频率和膝盖之间的频率(0.35除以信号上升时间)。如果所有谐波组成一个数字信号看到相同的频率,然后返回信号的传递函数在地平面将持平。同样的概念也适用于模拟信号在你的董事会和地面的飞机旅行。

而确定的阻抗谱是重要的网络带宽,最小功率输出阻抗,阻抗在地平面的空间分布是更重要的,尤其是在混合信号设备。信号将遵循电抗最小的路径回到地上在地上飞机旅行时返回。理想情况下,明星电抗最小的路径,点对点或多点拓扑应该直接躺下导体板。这将确保你的电路有最小回路电感,最易受电磁干扰。

阻抗谱的动力输送网络

功率交付网络阻抗谱的例子

PCB基材选择和设计分层盘旋飞行

由于前面提到的寄生效应,您需要仔细选择一个衬底材料和设计你的分层盘旋飞行。的介电常数你的底物会影响生产所需的几何与特定的阻抗和传输线的阻抗会影响功率输出网络。飞机在导体的存在也决定了在电路回路阻抗,从而影响电路的EMI易感性。

阻抗匹配网络

分层盘旋飞行会影响很多董事会设计的其他方面,如热阻和路由策略。当加上合适的衬底材料,可以减少损失被信号同时保持一致的整个电路的阻抗。维护一个电路的阻抗在路由到一个特定的值是重要的保证阻抗匹配整个网络。作为信号过渡到输电线路的行为,您将需要确保输电线路,司机,接收器有一致的阻抗,防止信号反射。

通过、痕迹、铜倒,在3 d印刷电路板和组件的布局

你需要确定输电线路的阻抗,通过布局

通过阻抗

就像一个PCB基板将相邻的导电元素之间有寄生,所以会通过多层印制板。通过本质上是小电感充气或导电epoxy-filled核心。的电感通过毫微亨利的顺序,主要取决于其长宽比。也通过自电容,通过组有一些互电容和互感。这导致噪声通过之间的耦合,使得通过充当当放在传输线阻抗不连续性。一般来说,使用通过通常保持在最低限度的在高速和高频电路。

测量和分析电路的阻抗

可以测量电路阻抗的设置包括一个信号发生器,示波器,未知的负载阻抗。它包括分析输出振幅和相移对特定频率的输入信号。设备阻抗米和阻抗分析仪等也是不错的选择阻抗测量。

然而,上述措施只适用于当你有一个成品。如果你在设计一个电路中,您将需要模拟和分析工具来确定电路的阻抗。

如果你访问一个SPICE-based模拟器,你可以很容易地确定一个线性电路的阻抗使用交流电频率扫描你可以想象一个电路的传递函数波德图。这些工具可以用来表示你的总阻抗电路块的设计以及电路块如何影响输入信号的幅度和相位。

导体和通过PCB布局

这些通过导体会影响阻抗信号在整个董事会。

用非线性电路,您将需要使用更高级的分析。最著名的工具来处理非线性电路是使用一个直流扫描,这告诉你如何直流输入电压传播一个输出电压和电流。在处理交流信号或任意振荡波形,可以使用小信号分析来检查变更操作点。这种分析告诉你的互阻抗电路在一个特定的操作电压电路。一个更强大的技术谐波平衡分析告诉你一个正弦信号及其谐波的行为在一个非线性电路。

节奏的全套PCB设计和分析工具是非常有用的为任何应用程序确定电路的阻抗。