电感式电路负载互连的阻抗匹配

2019年10月24日

每一条痕迹都像一个感应电路

你的电路图对于获得电路如何工作以及信号如何与负载元件相互作用的基本概念非常有用。在现实中，互连和负载元件可以表现为纯电阻、纯电容或纯电感电路，这取决于电路中不同元件的几何形状和性能。以下是关于PCB中的感应电路以及如何确保信号完整性，您需要知道的内容。

每一个互联是一个电容和电感电路

一个你通常不会在电子学导论课上听到的肮脏秘密是:每个互连实际上是一个RLC电路．这是因为每个电路都是由导线组成的回路，它有一些剩余电感。在PCB中，基板材料的磁导率和导体的几何形状将决定电路的电感。类似地，由于源和负载之间的部分导体被一些介质(同样是PCB基板)隔开，电路也有一些寄生电容。

在典型的电路图和原理图中，这些寄生不存在于理想电路中，因为它们取决于真实电路的布局。这是否会显著影响电路的行为取决于许多因素，包括电路的几何形状以及负载和源组件的行为。我们可以尝试用电路图来模拟真实电路的行为，包括在源和负载之间串联一个电感，以及在高电位线和地之间设置一个电容。这就是a的方法集中输电线路模型构建;下面显示了一个示例。

PCB的跟踪阻抗模型

连接到负载元件(Z)的真实轨迹电路模型。

该电路模型显示了阻抗为z的迹线和负载组件的真实模型。您可以从标准集总传输线模型中找到每个参数的定义。在直流电压下，痕迹是纯电阻的，即只有铜痕迹的电阻和衬底的电导(通常取G = 0)决定痕迹上的损耗。当频率增加到0赫兹以上时，轨迹开始表现为感应电路，这意味着轨迹阻抗随着频率的线性函数而增加。最终，衬底的电容性在更高的频率下接管，并平衡了痕迹的电感性，阻抗在典型的传输线值处饱和。

电阻性，电容性和电感性电路元件和器件

那么，这对互连线上的信号行为意味着什么呢?答案取决于我们处理的是数字、模拟还是任意的驱动信号。它还取决于互连线中负载元件的行为，互连线本身可以表现为容性电路、电感电路或电阻电路。这可以通过观察互连线中源、迹线和负载的阻抗谱来总结。

就像迹线的阻抗谱在低频率下可以表现得非常接近电感电路的行为一样，实元件在一定频率范围内也可以表现得像电感电路一样。实元件在不同的频率范围内可以表现为纯电阻、电容或电感电路。当添加任何组件到一个真正的互连时，您需要测量它的阻抗谱，以确定它是否真的是一个电感电路。

如果你在一个主要关注信号完整性的应用中工作，你最好的选择是用矢量网络分析仪测量电感电路的阻抗谱。这通常会返回s参数(确保您将连接器的s参数解嵌入!)然后，您可以计算阻抗从您的测量在每个频率。然后你将需要使用这个信息在一个真实的电路阻抗匹配。

矢量网络分析仪

把它放在一起:真实互联中的感应电路

在真实的互连中，迹线和负载分量的阻抗谱将决定迹线阻抗和分量阻抗是否在特定频率匹配。对于模拟频率，你只需要担心阻抗匹配的在一个特定频率上，负载分量与跟踪阻抗的比值。这对于在单一频率下使用的感应负载来说是微不足道的;您只需要设计一个阻抗匹配网络，将负载阻抗在感兴趣的频率上设置为一个特定的值。

对于调制信号或如果您打算处理一系列模拟信号，与感性负载的阻抗匹配变得更加复杂，因为您需要确保负载组件的匹配阻抗谱在信号的带宽范围内是平坦的。模拟的组件(比如放大器不应该像电感电路的行为，应该有一个平坦的阻抗谱(即，电阻)在其带宽。你的目标应该是设计一个阻抗匹配网络，使负载的阻抗谱在相关频段显得平坦(即电阻性)。一种选择是在负载输入和地之间设计一个RC电路，因为这将有助于补偿负载组件的电感行为。

对于数字信号，与容性或阻性负载相比，感应负载在每个谐波处的阻抗匹配变得更加困难。一个表现为电感电路的负载仍然需要进行补偿，以便整个负载带宽的阻抗谱是平坦的，只是数字信号的带宽可以非常大。对于电阻负载，这不是问题;负载阻抗在所有频率都是相同的，你可以只使用电阻进行阻抗匹配。对于容性或感性负载，现在需要设计一个阻抗匹配网络，使负载的阻抗谱在数字信号的功率谱中尽可能平坦。