确定电路的阻抗和它如何影响你的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，以及信号如何流入PCB的不需要的区域。有许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，除非你在你的模型中包括正确的寄生元件。如果您正在测试一个原型或设计一个使用高速或高频信号的电路，您将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是如何受输入信号水平的影响也是很重要的，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的阻抗变得更加复杂，需要不同种类的分析技术。

电路的阻抗是什么?

阻抗这个术语描述了电子元件在抵抗交流电流时的行为。电路是由在交流电源存在时表现不同的各种元件组成的。

无论交流源的频率如何，电阻器表现一致，因为它是一个纯直流元件。它的阻抗是对其电阻的测量:

Z = R

同时，电容器的阻抗等于其电容电抗，由:

X_c= 1/2πfC

电容电抗是角频率的反函数。随着频率的增加，电容电抗减小。

至于电感，它们的工作方式与电容类似，只是电感抗与角频率成正比，公式为:

X_l= 2πfL

虽然这些是与阻抗分析相关的基本组件，但它们并不是电路中唯一的组件。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，你的迹线有一些阻抗，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衬底产生寄生电容，而内层的迹线和平面的排列产生寄生电容寄生电容和电感．这些寄生效应导致电容串扰，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）

由于容抗和感抗都是角频率的函数，所以总阻抗用一个有实分量和虚分量的复数表示。

下面是电路阻抗的常用表达式:

Z = R + jX

除了手动计算外，您还可以在SPICE模拟器中使用高斯-乔丹方法，它将给出电路和各自组件的总阻抗。在时域中，电路元件的排列会影响到向稳态行为的过渡，这可以用瞬态分析或pole-zero分析。

当电路中包含二极管、晶体管、放大器等元件，而输出是输入信号强度的非线性函数时，阻抗计算就变得更加复杂。阻抗实际上是根据特定输入信号强度下的跨阻抗定义的。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具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。

例如PCB原理图

正确的分析工具和元件电气模型可以帮助您分析本原理图中的电路阻抗和行为

PCB布局如何影响电路阻抗

在真实的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相差很大。这是由于衬底的存在和板上痕迹的排列。这就产生了important效果就像相声，使阻抗从理想值改变。电路可能会遇到功率完整性问题，如电路在高频切换时产生振铃。电力输送网络的阻抗也将偏离理想的电容行为在更高的频率，这有助于潜在的信号完整性和功率完整性问题。

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上与任何其他传输线完全隔离的传输线的阻抗。这个值通常是50欧姆，但根据设备中使用的信号标准，它可能有不同的值。作为一个例子,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衬底提供的寄生电容和相邻两条传输线之间的互感，传输线可以用奇偶模式阻抗来表征，这考虑了相邻两条传输线之间的耦合以及这两条传输线是如何驱动的(即在共模或差分模式下)。通用和差分阻抗与这些其他值相关，使用于描述传输线的阻抗值的总数达到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。

输电网络阻抗

您的电力输送网络将显示在较低频率的电容阻抗，并降低到您的电力总线的电阻串联在您的负载组件和直流接地返回路径。这个阻抗是由你的动力轨道，轨迹和板内平面之间的物理分离所决定的。随着驱动频率的增加，电路板中电路之间的互感将导致功率传输网络的阻抗增加。最终，阻抗你功率输出网络会在高频处出现许多峰值。

理想情况下，阻抗功率输出网络在你想要工作的波段内应该是平坦的。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)。如果构成数字信号的所有谐波看到相同的频率，则接地面上返回信号的传递函数将是平坦的。同样的想法也适用于在飞机和地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，但阻抗在地平面的空间分布更重要，特别是在混合信号设备中。当信号在地平面中传播时，信号将沿着最小电抗的路径返回地面。理想情况下，星形、点对点或多点拓扑中最小电抗的路径应该位于电路板中导体的正下方。这将确保你的电路有最小的环路电感和将有最小的易感性EMI。

输电网络的阻抗谱

示例电源输送网络阻抗谱

PCB基板材料的选择与堆叠设计

由于前面提到的寄生效应，您需要仔细选择一个衬底材料设计你的堆叠。的介电常数你的衬底将影响几何所需产生的传输线具有特定的阻抗，并将影响阻抗的电力输送网络。导体下面的平面的存在也决定了电路中的环路阻抗，这影响了电路的电磁干扰敏感性。

阻抗匹配网络

堆叠将影响板设计的许多其他方面，如热阻和路由策略。当与正确的衬底材料结合时，可以减少信号的损耗，同时保持整个电路的阻抗一致。在布线过程中，将电路的阻抗维持在一个特定的值对确保是重要的阻抗匹配整个网络。当信号过渡到传输线行为时，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。

三维PCB布局中的通孔，迹线，铜浇注和组件

您需要确定传输线和通孔的阻抗在这种布局

通过阻抗

就像PCB基板在相邻的导电元件之间会有寄生一样，也会有寄生通孔在多层板．通孔本质上是带有充气或导电环氧树脂填充芯的小电感。通径的电感是纳米亨利量级的，主要取决于它的纵横比。通孔也有自电容，并且一组通孔有一些互电容和互感。这导致通孔之间的噪声耦合，并导致通孔在放置在传输线上时充当阻抗不连续。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。

电路阻抗的测量与分析

电路阻抗可以通过包括信号发生器、示波器和阻抗未知的负载的设置来测量。它涉及到针对特定频率的输入信号分析输出幅值和相移。阻抗计和阻抗分析仪等设备也是阻抗测量的很好的选择。

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

如果您有一个基于spice的模拟器，您可以很容易地确定使用交流线性电路的阻抗频率扫描你可以看到一个电路的传递函数波德图．这些工具可以用来显示你的设计中一个电路块的总阻抗，以及一个电路块如何影响输入信号的大小和相位。

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。处理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。在处理交流信号或者任意的振荡波形，你可以用小信号分析来检查某个工作点周围的变化。这个分析告诉你电路中特定工作电压周围的跨阻抗。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。

凯蒂丝的全套PCB设计与分析工具对于确定任何应用的电路阻抗都是非常有用的。