阻抗对设计的影响

关键的外卖

• 阻抗介绍-什么是阻抗以及它如何影响电路运行。
• 寄生对阻抗的贡献以及求解器如何有效地建模阻抗结构。
• 输电线路的讨论，包括最常见的品种。

在三相设计中，阻抗效应被用于稳定的交流电供电。

阻抗是电子学和PCB设计的核心主题。第一次学习电路理论，设计师很快就通过欧姆定律遇到了电阻的概念及其与电流和电压的关系。然而，电阻在直流电下工作得很好，覆盖了元素对电流的响应，但它实际上是对真实物理的简化。然而，交流电的引入揭示了电阻不足以解释电力系统以及电流和电压相的复杂性。

在整个PCB设计中，阻抗始终存在，不断作用于电路设计的各个方面，从堆叠和受控阻抗结构到设计抽象的晶体管级电路元件的性能。为了更好地理解阻抗的作用以及它如何影响电路板的特性，值得从阻抗的基础知识开始更详细地研究。

阻抗来自于电阻

阻抗是电阻的一种复杂而全面的形式。虽然电阻只涉及实值项，而电抗涵盖虚值项，但阻抗是电能通过电路时发生的总耗散和相移效应的综合测量。更一般地说，阻抗代表了电流在整个电路中流动的阻力:负载的阻抗越大，必须开发出更大的电位来驱动电流通过。

	电阻	电抗
价值	真正的	虚构的
损失	有损	无损的
机制	由于焦耳加热而耗散能量	以电磁场的形式储存和释放能量
效果	与电流相反	产生电压和电流相位之间的不匹配
理想的元素	电阻器	电感、电容
频率依赖性	没有	是的

比较电阻和电抗对阻抗的贡献

回到数值的复杂性质，电阻和电抗是不兼容的，不结合(除了大小)，但电抗本身包含两个正负测量值:电感电抗和电容电抗，分别。符号表示原始信号的相移，其中电容电抗在电流后具有电压滞后π/4弧度，而感性电抗在电压后具有电流滞后π/4弧度。

重要的是要注意电抗与频率有关，电容电抗在低频时占主导地位，在高频时为感应电抗所取代。在这两个极端之间，存在一个点，在那里电抗是相等的，称为谐振频率，电路的阻抗是最小化由于取消电抗。谐振，以及更普遍的阻抗匹配，由于一些显著的特性，在各种电路主题中使用:

• 最大功率传输-为了在给定某种源阻抗的负载下使功率最大化，应将阻抗处的负载设计为ZL = ZS*(负载阻抗必须是源的复共轭)。当电阻相等时，源端的感性或容性电抗与负载端的相等但相反的电抗相平衡时，就会出现复杂的共轭条件。由于特定阻抗的复数共轭是频率相关的，在窄带宽电路中平衡负载与源是足够容易的，但在宽带宽应用中变得更加复杂。
  
• 反射-射频电路如果负载不匹配，则有产生反射的风险。在这些拓扑中，源和负载的阻抗都与线路的特性阻抗相匹配。忽略将负载和源与线路的特性阻抗匹配，可能会导致某些频率的振荡以及反射造成的损失，从而对敏感设备造成损坏。
  
• 过滤通常情况下，阻抗匹配需要使用滤波器或滤波器网络从信号中隔离所需的带宽。根据滤波器的q因子和板的操作，滤波器的设计范围可以从组件到传输线上的stub。

用场求解器模拟阻抗结构

在制造和组装过程中有许多微妙之处，如果没有复杂的系统来准确跟踪，它们就无法被发现。最重要的,寄生虫的问题在电子领域需要解决的问题。电阻器、电容器和电感器(以及更多的技术组件)的理想模型将它们的阻抗贡献视为奇异的，而实际上，每个组件都包含一定数量的电阻和电抗。寄生产生于标准电路元件的物理实现。例如，在传统风格的电感器或变压器中，导线的绕组在连续的旋转中充当相互面对的导线表面的小型分布式电容器。此外，所有元件引线都具有一定的电感和电抗。

考虑到叠层设计的材料实际情况后，阻抗计算变得更加困难。堆积处理材料约束，最直接的介电常数和损耗正切，以及平面类型在板内的分布。计算板上铜特性的阻抗一般分为两种数学解决方案:

• 有限元分析(FEA)-通过将板细分为离散的小块，满足边界条件的微分方程的解可以应用于设计中的局部点。在一个足够小的区域内，渗透在设计中并使整个表面建模困难的复杂性很可能被忽略或完全不存在。通过这种方式，FEA可以是基本的，被认为类似于无穷小的集成方法，其中函数只在极小的部分上进行评估，并单独求和。当然，从物理上讲，无限多的碎片是不可能被计算出来的，但大体思想是成立的。
  
• 有限差分(FD)-从表面上看，有限差分的工作原理很像有限元分析，它关注的是一个函数在非常小的距离上的变化。与FEA不同的是，FEA使用许多标准的微积分元素，FD在非常类似于导数近似的数值形式下运行。这并不一定会使技术更强大或更不强大，而是为计算工具提供了另一种数学方法。

现场求解者试图考虑空间中任何一点上存在的大量物理变量，并准确衡量它们的贡献。设计人员在使用堆叠软件确定电路板特定层上单端或双端迹线的阻抗时，通常会首先遇到它们。不同的技术标准，如USB，可能带有开发人员构建系统所围绕的特定目标阻抗，为此，现场求解器可以提供线路阻抗的精确计算。在简单的计算中，这可能主要由迹线的宽度和到电介质的距离产生，但更复杂的解决方案将提供更全面的方法。

这也是值得研究的阻抗标准为50欧姆对于一个普通的跟踪—这个值是如何得到的?例如，当一个特定的存储器格式可能围绕一个单一的目标阻抗设计时，一个不那么指定的跟踪需要有效地操作，以实现更广泛的实现。核心权衡考虑了高阻抗的功率优势(阻抗越高，产生的电流越少，从而提高能源效率)和制造挑战(为了达到高阻抗，走线的宽度必须小，并且在z轴上与相邻层的距离更远)。50欧姆的阻抗值没有什么特别值得注意的;它只是存在于形成线路阻抗的抵消力之间的一个良好的中间地带。

同轴电缆是50欧姆端线的一个常见例子

传输线，控制阻抗和匹配

控制阻抗可以看作是阻抗匹配和本征阻抗的融合。传输线阻抗匹配的核心不变:通过将负载和源与线路的特性阻抗进行平衡，所有涉及的组件都能够运行，而不会因信号反射而产生错误或故障。尽管从理论上讲，阻抗匹配需要复共轭来抵消阻抗的反应项，但考虑到寄生和其他来源的贡献，这在现实世界中是一项更具挑战性的任务。幸运的是，完美的阻抗匹配是不必要的，甚至是不鼓励的，因为阻抗匹配在实际中是一个具有一定误差范围的阈值，而不是频谱。相反，“matched enough”是消除一行中的反射的合适条件。在电路设计方面，串联端接传输线一般需要在传输线输入端增加一个电阻，该电阻与源固有阻抗相加，以匹配传输线的特性阻抗，而传输线的特性阻抗在设计上也与负载处的阻抗相匹配。

到目前为止，讨论主要集中在传输线的特性阻抗上，但阻抗是由多个分量组成的。首先，有必要定义传输线以扩大本主题的范围:传输线是促进E/M能量从一点传输到另一点的一对导体。如果这听起来过于笼统，那么任何与电源平面连接的痕迹都被认为是传输线。简单看一下不同的阻抗控制结构适用于设计师:

• 微带跨越空气和高阻抗基板的外层导体。
• 嵌入式微带-类似微带，但两侧被基板包围。
• 对称带状线-类似于嵌入式微带，附加的条件是导体与两个参考平面等距离放置。
• 双重带状线—作为对称条带线，导体层的位置在参考平面之间不再等距离。

由于板内位置不同，导体内部的强度也不同。例如，对于与微带相同的物理尺寸，条带线的阻抗降低，由于邻近参考平面的接近，可以减少串扰。设计人员可以利用特定导体实现的优点和缺点来挤出最佳性能或适应规则集中的其他约束。

微带线是设计人员最常用的传输线格式

阻抗涉及许多电子主题(远远超过这里所涉及的内容)，设计师需要在基本层面上熟悉这个概念，以便更好地理解在电路层面上系统中发生的事情。尽管在设计功能上兼顾阻抗的不同方面似乎具有挑战性，但Cadence的PCB设计和分析软件提供强大的工具，可以快速有效地对系统建模。此外，这些工具与易于使用的集成OrCAD PCB Designer，让你更好地控制你的设计的各个方面。