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[導讀]阻抗可以是電阻、電容、電感的任意組合對電流起到的阻礙作用。由于電容對直流電的阻抗無窮大,而電感對直流電的阻抗是零,因此,阻抗更多用于描述交流電路中對電流的阻礙作用。高阻抗是指阻抗值大,低阻抗是指阻抗值小。

PCB工程師在設計PCB時,對于高速電路板或電路板上的關鍵信號會經(jīng)常涉及到到“做阻抗”、“阻抗匹配“的這些問題。

首先解釋一下什么是阻抗匹配。

阻抗匹配的原理是,當負載阻抗與傳輸線的特征阻抗相等時,傳輸線上的信號不會產(chǎn)生反射,能量都會被負載吸收。這種狀態(tài)被稱為“匹配”,而當負載阻抗與傳輸線的特征阻抗不相等時,傳輸線上的信號會產(chǎn)生反射,部分能量會被反射回源點,導致信號反射、反彈,損耗,原本良好的信號波形變形(上沖、下沖、振鈴現(xiàn)象),其將直接影響電路的性能甚至功能。

射頻工程師必知必會—— 阻抗,特征阻抗與等效阻抗

阻抗,顧名思義就是對電路中電流起到阻礙作用的元器件。我們在射頻電路中,又引入了特征阻抗和等效阻抗兩個概念。

No.1.1 阻抗

談到阻抗的概念,大家的第一影響就是電阻和電抗的組合。沒錯,在低頻領域,或者在我們學習的電路原理的課程中,阻抗就是電阻和電抗的組合。

我們借用百度百科的定義就是:

在具有電阻、電感和電容的電路里,對電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一個復數(shù),實部稱為電阻,虛部稱為電抗,其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗 ,電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗,電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。阻抗的單位是歐姆。

阻抗可以是電阻、電容、電感的任意組合對電流起到的阻礙作用。由于電容對直流電的阻抗無窮大,而電感對直流電的阻抗是零,因此,阻抗更多用于描述交流電路中對電流的阻礙作用。高阻抗是指阻抗值大,低阻抗是指阻抗值小。

對于一個具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中,電路的阻抗一般來說比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中,諧振的時候阻抗增加到最大值,這和串聯(lián)電路相反。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個阻字是相同的,而另一個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點地說,阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導體,電阻很大的物質(zhì)稱作非導體,而最近在高科技領域中稱的超導體,則是一種電阻值幾近于零的東西。

但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是奧姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關系式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中,當負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時,則輸出功率為最大,這種工作狀態(tài)稱為匹配,否則稱為失配。

當激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成份時,為使負載得到最大功率,負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關系,即電阻成份相等,電抗成份只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

影響阻抗的因素?

相對于阻抗變化的關系(其中一個參數(shù)變化,假設其余條件不變),影響阻抗因素如下:

1. 阻抗線寬:阻抗線寬與阻抗成反比,線寬越細,阻抗越大,線寬越粗,阻抗越低。

2. 介質(zhì)厚度:介質(zhì)厚度與阻抗成正比,介質(zhì)越厚,阻抗越大,介質(zhì)越薄,阻抗越低。

3. 阻抗介電常數(shù):介電常數(shù)與阻抗成反比,介電常數(shù)越高,阻抗越小,介電常數(shù)越低,阻抗越大。

4. 防焊厚度:防焊厚度與阻抗成反比,在一定厚度范圍內(nèi),防焊厚度越厚,阻抗越低,防焊厚度越薄,阻抗越大。

5. 銅箔厚度:銅箔厚度與阻抗成反比,銅厚越厚,阻抗越低,銅厚越薄,阻抗越大。

6. 差動阻抗:間距與阻抗成正比,間距越大,阻抗越大,其余影響因素則與特性阻抗相同。

7. 共面阻抗:阻抗線距導體的間距與阻抗成正比,間距越大,阻抗越大,其它影響因素則與特性阻抗相同。

阻抗在中低端的線路板中涉及的一般少一些,主要是雙面板、四層板、以及以上的層數(shù)的多層板。多層板的一般居多。阻抗一般分為6種:單端阻抗線、差分阻抗線、單端共面地阻線、差分共面地阻抗線、層間差分阻抗線、共模阻抗。

阻抗計算

在這里分別介紹下計算工具Si9000。

還是以四層板為例:我們首先找到我們選的層壓結構的參數(shù),主要用到以下幾個參數(shù):

1. 介質(zhì)厚度:常規(guī)的tg120-130板材,雙面板不同板厚的對應的H1值不一樣,四層板統(tǒng)一為0.12mm),H1為基材的基礎銅厚。1mm≈39.37mil。

(不同板厚以及層數(shù)對應的H1數(shù)值)

2. 介電常數(shù):常規(guī)的FR4板材TG120-130的介電常數(shù)是4.2;

3. 銅箔厚度。1oz=1.4mil,2oz=2.8mil,銅厚的數(shù)值對阻抗也是有一定影響;

4. 板子上的油墨厚度,因綠油厚度對阻抗影響較小,C1=0.6mil,C2、C3=0.5mil;

如,客戶需要做單端阻抗的阻抗線寬W1為8mil,W2為7mil,阻抗線到大銅皮(地)間距D1大約為15.4mil(實際此單端共面阻抗的間距不是很重要,對阻抗數(shù)值的影響不大)。根據(jù)客戶的要求,四層板的H1值都一樣,為0.12mm,銅厚1oz則T=1.4mil,

以上可以知道的條件,就可以在SI900找到此對應的單端共面阻抗模型核算阻抗。

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