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电路设计确定阻抗及其影响


电路阻抗

在电路设计中,你知道这个电感器将如何影响电路的阻抗吗?我们都在基本的电子课程中学习到每个电路元件都有一定的电阻,但是电路的阻抗同样重要。在实际的电路板中,通常使用开关数字信号或振荡的模拟信号进行操作,阻抗会影响信号在电路板上的传播方式,组件之间的功率传输方式以及信号渗入PCB多余区域的方式。

可以使用许多分析来确定电路的阻抗,但是除非在模型中包括正确的寄生元件,否则这些分析并不总能产生真实的结果。如果要测试原型或设计用于高速或高频信号的电路,则需要了解会影响电路阻抗的寄生元件。

了解非线性电路的阻抗如何受输入信号电平影响也很重要,因为非线性电路元件的阻抗实际上是输入的函数。用非线性元件分析电路的阻抗变得更加复杂,需要使用另一类分析技术。

什么决定电路的阻抗?

在最基本的水平上,电路的阻抗取决于组件的布置。电阻器,电感器和电容器是三个基本线性电路元件。电阻可以归类为仅对直流信号提供电阻的组件,即电压和电流之间的关系不取决于输入信号的频率。相反,电容器和电感器提供电抗,这是一个纯复数,是频率的函数。理想电容器的电抗与信号的角频率成反比,理想电感器的电抗与信号的角频率成正比。电路的阻抗是电阻和复电抗的总和。

在更深的层次上,走线具有一定的阻抗,因为它们不能视为长电感。电路板本身会影响电路和走线的阻抗。绝缘的PCB基板会产生寄生电容,而内层中的走线和平面的排列会产生寄生电容和电感。这些寄生效应会导致电容性串扰,并决定传输线和电力传输网络的阻抗。

具有线性和非线性电路元件的电路的阻抗

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。这意味着可以使用直流和交流电路的电路分析中的标准规则轻松计算输出电流和/或电压。SPICE仿真器中使用的Gauss-Jordan方法是根据线性阻抗定义的,根据每个电路元件的阻抗检查电路的等效阻抗。在时域中,电路元件的排列将影响到稳态行为的转变,可以使用瞬态分析或零极点分析进行分析。

相反,非线性电路包含二极管,晶体管,放大器和其他元件,其中输出是输入信号强度的非线性函数。阻抗实际上是根据特定输入信号强度下的跨阻定义的。换句话说,如果输入信号强度改变,则每个非线性电路元件的跨阻以及电路的等效阻抗也将改变。

理解对阻抗的非线性和线性影响在电路设计和分析以及解释PCB原型测试结果时非常重要。最终,测试结果应告知潜在的设计更改,其目的是确保系统中的阻抗达到所需的值。

正确的分析工具和组件电气模型可以帮助你在此原理图中分析电路的阻抗和行为

布局与电路阻抗之间的关系

分析电路的阻抗需要了解电子理论的一些基础知识,例如欧姆定律和基尔霍夫定律。在实际的PCB布局中,由于存在基板以及电路板上的走线排列,信号看到的阻抗可能与你从原理图确定的理想值有很大差异。这引起了重要的影响,例如传输线之间的耦合和串扰,从而使阻抗从理想值改变。实际电路会遇到电源完整性问题,例如电路在高频下切换时会产生振铃。输电网络的阻抗也会偏离高频下的理想电容行为,这会导致潜在的信号完整性和电源完整性问题。

传输线阻抗

可以使用多个阻抗值来表征传输线的阻抗。其中最重要的是特性阻抗,它就是与其他传输线完全隔离的PCB上传输线的阻抗。尽管根据设备中使用的信令标准,它可能会采用不同的值,但通常将其定义为50欧姆。例如,LVDS规定差分对的差分阻抗应为85欧姆。

用于描述传输线阻抗的其他指标取决于两条传输线的相对布置。由于PCB基板提供的寄生电容以及两条相邻传输线之间的互感,可以使用偶数和奇数模式阻抗来表征传输线,这说明了两条相邻传输线之间的耦合以及如何驱动这两条线(即,共模或差模)。作为相关度量,公共阻抗和差分阻抗与这些其他值相关,从而使用于描述传输线的阻抗值总数达到5

输电网络阻抗

输电网络将在较低频率下表现出电容性阻抗,并降低与负载组件和直流接地回路串联的电源总线的电阻。该阻抗主要由电源轨,走线和电路板内部平面之间的物理隔离所决定。随着驱动频率的增加,电路板上电路之间的互感将导致功率传输网络的阻抗增加。最终,功率传输网络的阻抗将在高频下出现许多峰值。

理想情况下,供电网络的阻抗应在要工作的频带内保持平坦。对于数字信号,相关的带宽是时钟频率和拐点频率之间的所有频率(0.35除以信号上升时间)。如果组成数字信号的所有谐波都具有相同的频率,则接地平面中返回信号的传递函数将是平坦的。相同的想法适用于遍历整个电路板和接地层的模拟信号。

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,但是接地平面中阻抗的空间分布更为重要,尤其是在混合信号设备中。在接地平面中传播时,信号将沿着最小电抗的路径返回接地回路。理想情况下,星形,点对点或多点拓扑中的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 电路具有最小的环路电感,并且对EMI的敏感性最小。

PCB基板材料选择和堆叠设计

由于前面提到的寄生效应,需要仔细选择衬底材料并设计叠层。基板的介电常数会影响生产具有特定阻抗的传输线所需的几何形状,并会影响功率传输网络的阻抗。导体下方平面的存在还决定了电路中的环路阻抗,这会影响电路的EMI敏感性。

阻抗匹配网络

堆叠会影响电路板设计的许多其他方面,例如其热阻和布线策略。与正确的基板材料结合使用时,可以减少信号所看到的损耗,同时在整个电路中保持一致的阻抗。在布线过程中将电路的阻抗保持在特定值对于确保整个信号链的阻抗匹配非常重要。随着信号转变为传输线行为,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。

通过阻抗

就像PCB基板在相邻的导电元件之间会有一些寄生一样,多层板中的过孔也一样。通孔本质上是具有空气填充或导电环氧树脂填充芯的小型电感器。通孔的电感量约为毫微亨,主要取决于其纵横比。通孔也具有自电容,并且通孔组具有一定的互电容和互感。这导致通孔之间的噪声耦合,并导致通孔放置在传输线上时起阻抗不连续的作用。通常,在高速和高频电路中,通孔的使用通常保持较少的数量。

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