如何确定电路的阻抗

2022-03-16

如何确定电路的阻抗

阻抗会影响信号通过电路板的传播方式、组件之间的功率交换方式以及信号如何泄漏到PCB的不需要的部分。有几种方法可以确定电路的阻抗，但除非您在模型中包含适当的寄生元件，否则它们不一定会产生实际结果。

电路的阻抗

阻抗是电路的交流特性，可能随工作频率而变化。它通常由 Z = R – j/ ωC + jωL 表示，其中 ω= 2πf。
阻抗和电阻有什么区别？

电阻和阻抗之间的主要区别在于电阻反对直流和交流电流，而阻抗反对交流电流。阻抗在直流电路中没有意义。

下表列出了一些主要差异：

反抗	阻抗
用“R”表示	用“Z”表示
不受供电频率的影响。	主要取决于供电频率。
两个或多个串联电阻可以算术相加。	应执行矢量加法以求和阻抗。
通过电阻的电流总是与其上的电压同相。	电流和电压异相。相位差取决于阻抗中存在的电感或电容。

为什么阻抗匹配在PCB中很重要？

在高频下，电路板走线充当传输线，在每个点具有特定的阻抗值。 阻抗匹配 确保它在整个轨迹的每个点保持恒定。传输线中波动的阻抗会导致信号反射，从而影响信号完整性。 受控阻抗 可确保信号在通过迹线传播时不会退化。

影响受控阻抗的因素

迹线的阻抗由迹线的物理尺寸（迹线宽度和厚度）、介电常数和到电路板材料的参考平面的距离（电介质厚度）决定。它的范围在 25 到 125 欧姆之间。以下因素影响 PCBA的阻抗

影响PCB走线阻抗的因素

铜信号走线的宽度 (w) 和厚度 (T)  （顶部和底部）

 铜迹线任一侧的芯或预浸材料的厚度 (H)

 芯材和预浸材料的介电常数 (ER)

与其他铜特征的距离

受控阻抗对于  信号处理器、电信和射频传输等高速应用来说是必不可少的。

什么决定了电路板的整体阻抗？

电路的阻抗由元件的排列决定。电阻器、电容器和电感器是一些基本电路元件。电阻器与电流相反，电阻值与电源频率无关。而电容器和电感器提供的电抗是输入信号频率的函数。在理想情况下，电容器的电抗应与信号的角频率成反比。电感器应提供与信号角频率成正比的电抗。

除上述参数外，电路的阻抗还取决于PCB基板和内部导电平面。绝缘体与内层一起产生 寄生电容 和电感。这些寄生元件会导致串扰并影响电路的整体阻抗。现在我们将看到阻抗取决于的几个因素。

传输线阻抗

走线的特性阻抗

传输线的阻抗主要取决于其特性阻抗，本质上是完全隔离的传输线的阻抗。用于量化传输线阻抗的其他指标是偶模阻抗和奇模阻抗。偶数模式和奇数模式是信号在成对传输线上传播的两种基本模式。

奇数模式 是当一对中的两条迹线以差分方式操作时传输线的阻抗（信号具有相同的幅度和相反的极性）。

偶数模式 是当一对中的两条迹线均匀操作（具有相同幅度和方向的信号）时传输线的阻抗。

传输线阻抗还取决于走线相对于彼此的排列方式。两条相互靠近的走线会经历电感和电容耦合。这种耦合通常会导致串扰，并且还会改变每条线路上的阻抗。

要了解如何减少PCB走线上的阻抗失配，请参阅 如何限制 PCB传输线中的阻抗不连续性和信号反射。

供电网络阻抗

在较低频率下，供电网络将具有容性阻抗，从而降低驱动组件和 电流返回路径的电源总线的电阻。电源轨、走线和内部平面之间的物理分离定义了 PDN 阻抗。随着输入频率的升高，PDN 阻抗也会升高。

PDN 阻抗与频率的关系。

阻抗谱可用于确定具有最低供电网络阻抗的带宽。它应该在整个董事会的运作范围内保持平稳。为了保持  电路板 的电源完整性，接地层的放置至关重要。当向地平面行进时，信号将采用电抗最小的路径。电抗最小的路径应直接位于电路板上的导体下方。 这将确保电路具有最少的环路电感并且不易受 EMI 的影响。

电路板材料选择和堆叠

堆叠 是按顺序排列的板材料。上图描绘了一个 4 层堆叠。L1 和 L4 是外层，L2 和 L3 是内层。如前所述，电路板堆积中的相邻导电层会产生影响电路整体阻抗的寄生效应。寄生引起的阻抗失配会在走线上产生反射，最终引入 串扰 和 EMI 问题。

选择最适合设计的正确材料 是避免这些情况的关键。介电常数 (Dk) 会影响具有特定阻抗值的迹线的几何形状。树脂含量和材料厚度是决定材料 Dk 的两个关键因素。它随着厚度的增加而减小。这意味着树脂含量越高，Dk 值越低。

以下提示将帮助 PCB设计人员选择合适的材料并避免整体阻抗值的变化。

确定合适的层厚： 较薄的层可减少环路面积和寄生电感，同时增加寄生电容。要找到合适的层厚度，您可以使用具有各种层堆栈的模拟工具。

选择具有较低介电常数的材料： 具有较高 Dk 值的基板会产生较大的杂散电容。始终选择较低的 Dk 基材，尤其是对于高速应用。

避免选择树脂含量极低的基材： 树脂含量极低可能会导致树脂不足，进而导致阻抗变化。

不要在堆叠中使用超过三种不同类型的预浸料：使用不同 类型的预浸料 可能会有风险，因为它会增加最终厚度变化更大的机会。如果使用多种类型的预浸料，复合材料的有效介电常数应采用加权平均法计算。

过孔阻抗

多层板 中的 过孔和通孔 将在相邻导电元件之间产生寄生效应。通孔的电感将在纳亨数量级，主要由其 纵横比决定。过孔的阻抗一般在 25 到 35 欧姆左右。因此，过孔和走线的阻抗（大约 50 欧姆）之间存在显着差异。当通孔放置在导电迹线上时，会发生噪声耦合并导致阻抗不连续。始终避免在差分对之间放置过孔  以减少不连续性。

确定电路阻抗的方法

可以使用以下方法计算电路的阻抗。

电路仿真

电路仿真 是一种用于在制造前验证电路板设计功能的技术。阻抗计算现在包含在许多 PCB设计软件程序中。这里的主要优点之一是可以修改阻抗设计参数以执行各种模拟。进行模拟后，您可以选择最佳设计进行制造。

在线计算器

可以使用在线计算器确定受控阻抗或迹线参数。尽管没有模拟工具那么详细，但这些工具可以让您非常接近只需您的合同制造商 (CM) 对可制造性进行最小调整的地方。

电路阻抗计算器 采用了用于 PCB传输线的麦克斯韦方程的 2D 数值解。它产生的数据相当准确，适用于电路板制造。该工具估计迹线参数，例如电容、电感、每单位长度的传播延迟和结构的有效介电常数。

与我们的阻抗工具不同，大多数免费的在线阻抗计算器都不是很准确，因为它们基于经验公式，没有考虑走线的梯形形状或众多介电材料的影响。

实用方法

按照以下步骤快速得出一个近似的受控阻抗值。

使用公式计算走线的上升时间，

t r  = 0.35 / f max 其中 f max 是最大工作频率。

现在，计算最大走线长度，

l = t r   x 2 英寸/纳秒

可以使用以下公式计算走线的特性阻抗：

εr 是材料的介电常数（根据数据表）

H 是地面以上走线的高度

W 是迹线的宽度

T 是迹线的厚度

无论您如何确定电路板的阻抗，您都应该与您的合同制造商 (CM) 合作，因为 DFM 标准和材料可用性将影响您的电路板的生产