如何確定電路的阻抗

2022-03-25

如何確定電路的阻抗

阻抗會(huì )影響信號通過(guò)電路板的傳播方式、組件之間的功率交換方式以及信號如何泄漏到 PCB的不需要的部分。有幾種確定電路阻抗的方法，但除非您在模型中包含適當的寄生元件，否則它們不一定會(huì )產(chǎn)生實(shí)際結果。

阻抗會(huì )影響信號通過(guò)電路板的傳播方式、組件之間的功率交換方式以及信號如何泄漏到 PCB的不需要的部分。有幾種確定電路阻抗的方法，但除非您在模型中包含適當的寄生元件，否則它們不一定會(huì )產(chǎn)生實(shí)際結果。

電路的阻抗

阻抗是電路的交流特性，可能隨工作頻率而變化。它通常由 Z = R – j/ ωC + jωL 表示，其中 ω= 2πf。

阻抗和電阻有什么區別？

電阻和阻抗之間的主要區別在于電阻反對直流和交流電流，而阻抗反對交流電流。阻抗在直流電路中沒(méi)有意義。

下表列出了一些主要差異：

反抗	阻抗
用“R”表示	用“Z”表示
不受供電頻率的影響。	主要取決于供電頻率。
兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)電阻可以算術(shù)相加。	應執行矢量加法以求和阻抗。
通過(guò)電阻的電流總是與其上的電壓同相。	電流和電壓異相。相位差取決于阻抗中存在的電感或電容。

為什么阻抗匹配在PCB中很重要？

在高頻下，電路板走線(xiàn)充當傳輸線(xiàn)，在每個(gè)點(diǎn)具有特定的阻抗值。 阻抗匹配 確保它在整個(gè)軌跡的每個(gè)點(diǎn)保持恒定。傳輸線(xiàn)中波動(dòng)的阻抗會(huì )導致信號反射，從而影響信號完整性。 受控阻抗 可確保信號在通過(guò)跡線(xiàn)傳播時(shí)不會(huì )退化。
影響受控阻抗的因素

跡線(xiàn)的阻抗由跡線(xiàn)的物理尺寸（跡線(xiàn)寬度和厚度）、介電常數和到電路板材料的參考平面的距離（電介質(zhì)厚度）決定。它的范圍在 25 到 125 歐姆之間。以下因素影響 PCBA的阻抗：

影響PCB走線(xiàn)阻抗的因素

銅信號走線(xiàn)的寬度 (w) 和厚度 (T)  （頂部和底部）

 銅跡線(xiàn)任一側的芯或預浸材料的厚度 (H)

 芯材和預浸材料的介電常數 (ER)

與其他銅特征的距離

受控阻抗對于  信號處理器、電信和射頻傳輸等高速應用來(lái)說(shuō)是必不可少的。

什么決定了電路板的整體阻抗？

電路的阻抗由元件的排列決定。電阻器、電容器和電感器是一些基本電路元件。電阻器與電流相反，電阻值與電源頻率無(wú)關(guān)。而電容器和電感器提供的電抗是輸入信號頻率的函數。在理想情況下，電容器的電抗應與信號的角頻率成反比。電感器應提供與信號角頻率成正比的電抗。

除上述參數外，電路的阻抗還取決于 PCB基板 和內部導電平面。絕緣體與內層一起產(chǎn)生 寄生電容 和電感。這些寄生元件會(huì )導致串擾并影響電路的整體阻抗?，F在我們將看到阻抗取決于的幾個(gè)因素。

傳輸線(xiàn)阻抗

走線(xiàn)的特性阻抗

傳輸線(xiàn)的阻抗主要取決于其特性阻抗，本質(zhì)上是完全隔離的傳輸線(xiàn)的阻抗。用于量化傳輸線(xiàn)阻抗的其他指標是偶模阻抗和奇模阻抗。偶數模式和奇數模式是信號在成對傳輸線(xiàn)上傳播的兩種基本模式。

奇數模式 是當一對中的兩條跡線(xiàn)以差分方式操作時(shí)傳輸線(xiàn)的阻抗（信號具有相同的幅度和相反的極性）。

偶數模式 是當一對中的兩條跡線(xiàn)均勻操作（具有相同幅度和方向的信號）時(shí)傳輸線(xiàn)的阻抗。

傳輸線(xiàn)阻抗還取決于走線(xiàn)相對于彼此的排列方式。兩條相互靠近的走線(xiàn)會(huì )經(jīng)歷電感和電容耦合。這種耦合通常會(huì )導致串擾，并且還會(huì )改變每條線(xiàn)路上的阻抗。

要了解如何減少 PCB 走線(xiàn)上的阻抗失配，請參閱 如何限制 PCB 傳輸線(xiàn)中的阻抗不連續性和信號反射。

供電網(wǎng)絡(luò )阻抗

在較低頻率下，供電網(wǎng)絡(luò )將具有容性阻抗，從而降低驅動(dòng)組件和 電流返回路徑的電源總線(xiàn)的電阻。電源軌、走線(xiàn)和內部平面之間的物理分離定義了 PDN 阻抗。隨著(zhù)輸入頻率的升高，PDN 阻抗也會(huì )升高。

PDN 阻抗與頻率的關(guān)系。

阻抗譜可用于確定具有最低供電網(wǎng)絡(luò )阻抗的帶寬。它應該在整個(gè)董事會(huì )的運作范圍內保持平穩。為了保持  電路板 的電源完整性，接地層的放置至關(guān)重要。當向地平面行進(jìn)時(shí)，信號將采用電抗最小的路徑。電抗最小的路徑應直接位于電路板上的導體下方。 這將確保電路具有最少的環(huán)路電感并且不易受 EMI 的影響。

電路板材料選擇和堆疊

具有受控阻抗要求的 PCB 疊層

堆疊 是按順序排列的板材料。上圖描繪了一個(gè) 4 層堆疊。L1 和 L4 是外層，L2 和 L3 是內層。如前所述，電路板堆積中的相鄰導電層會(huì )產(chǎn)生影響電路整體阻抗的寄生效應。寄生引起的阻抗失配會(huì )在走線(xiàn)上產(chǎn)生反射，最終引入 串擾 和 EMI 問(wèn)題。

Stack-up 還可以作為向制造商表達您的期望的文檔。缺失的信息可能會(huì )使制造商難以或不可能準確了解需求。

選擇最適合設計的正確材料 是避免這些情況的關(guān)鍵。介電常數 (Dk) 會(huì )影響具有特定阻抗值的跡線(xiàn)的幾何形狀。樹(shù)脂含量和材料厚度是決定材料 Dk 的兩個(gè)關(guān)鍵因素。它隨著(zhù)厚度的增加而減小。這意味著(zhù)樹(shù)脂含量越高，Dk 值越低。

以下提示將幫助 PCB 設計人員選擇合適的材料并避免整體阻抗值的變化。

確定合適的層厚： 較薄的層可減少環(huán)路面積和寄生電感，同時(shí)增加寄生電容。要找到合適的層厚度，您可以使用具有各種層堆棧的模擬工具。

選擇具有較低介電常數的材料： 具有較高 Dk 值的基板會(huì )產(chǎn)生較大的雜散電容。始終選擇較低的 Dk 基材，尤其是對于高速應用。

避免選擇樹(shù)脂含量極低的基材： 樹(shù)脂含量極低可能會(huì )導致樹(shù)脂不足，進(jìn)而導致阻抗變化。

不要在堆疊中使用超過(guò)三種不同類(lèi)型的預浸料：使用不同 類(lèi)型的預浸料 可能會(huì )有風(fēng)險，因為它會(huì )增加最終厚度變化更大的機會(huì )。如果使用多種類(lèi)型的預浸料，復合材料的有效介電常數應采用加權平均法計算。

過(guò)孔阻抗

多層板 中的 過(guò)孔和通孔 將在相鄰導電元件之間產(chǎn)生寄生效應。通孔的電感將在納亨數量級，主要由其 縱橫比決定。過(guò)孔的阻抗一般在 25 到 35 歐姆左右。因此，過(guò)孔和走線(xiàn)的阻抗（大約 50 歐姆）之間存在顯著(zhù)差異。當通孔放置在導電跡線(xiàn)上時(shí)，會(huì )發(fā)生噪聲耦合并導致阻抗不連續。始終避免在差分對之間放置過(guò)孔  以減少不連續性。

確定電路阻抗的方法

可以使用以下方法計算電路的阻抗。

電路仿真

電路仿真框圖

電路仿真 是一種用于在制造前驗證電路板設計功能的技術(shù)。阻抗計算現在包含在許多PCB設計軟件程序中。這里的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以修改阻抗設計參數以執行各種模擬。進(jìn)行模擬后，您可以選擇最佳設計進(jìn)行制造。

在線(xiàn)計算器

可以使用在線(xiàn)計算器確定受控阻抗或跡線(xiàn)參數。盡管沒(méi)有模擬工具那么詳細，但這些工具可以讓您非常接近只需您的合同制造商 (CM) 對可制造性進(jìn)行最小調整的地方。

Sierra 電路阻抗計算器 采用了用于PCB傳輸線(xiàn)的麥克斯韋方程的2D數值解。它產(chǎn)生的數據相當準確，適用于電路板制造。該工具估計跡線(xiàn)參數，例如電容、電感、每單位長(cháng)度的傳播延遲和結構的有效介電常數。

與我們的阻抗工具不同，大多數免費的在線(xiàn)阻抗計算器都不是很準確，因為它們基于經(jīng)驗公式，沒(méi)有考慮走線(xiàn)的梯形形狀或眾多介電材料的影響。

實(shí)用方法

按照以下步驟快速得出一個(gè)近似的受控阻抗值。

使用公式計算走線(xiàn)的上升時(shí)間，

t r  = 0.35 / f max 其中 f max 是最大工作頻率。

現在，計算最大走線(xiàn)長(cháng)度，

l = t r   x 2 英寸/納秒

可以使用以下公式計算走線(xiàn)的特性阻抗：

計算PCB走線(xiàn)特性阻抗的公式

在哪里，

εr 是材料的介電常數（根據數據表）

H 是地面以上走線(xiàn)的高度

W 是跡線(xiàn)的寬度

T 是跡線(xiàn)的厚度

無(wú)論您如何確定電路板的阻抗，您都應該與您的合同制造商 (CM) 合作，因為 DFM 標準和材料可用性將影響您的電路板的生產(chǎn)。如果您在受控阻抗設計方面需要任何幫助，請在評論部分告訴我們。