EMC学习笔记（七）阻抗控制（一）

1.特征阻抗的物理意义

1.1 输入阻抗

在集总电路中，输入阻抗是经常使用的一个术语 ，它的物理意义是: 从单口网络看进去的电压和电流的比值。如图:

输入阻抗：Zin=U/i。

1.2 特征阻抗

对于PCB 来说每一段走线都有特定的阻抗值，走线电感是引起PCB 上射频辐射的重要因素之甚至于从芯片硅芯到安装焊盘之间的引线电感也会引起可观的射频电势，尤其是电路板上的。细长走线会有较大的引线电感。通常如果有射频电压加在一段阻抗上就会有相应的射频电流流过，就会引发电磁干扰。

随着信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现出传输线的性质，在集总电路中视为短路线的连线上在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同 ，所以不能用集总参数来表示，必须采用分布参数来处理。传输线的模型可以表示如下图:

现在我们对以上传输模型进行物理方程的解答传输线的性质可以用电报方程来表达,电报方程如下：

从通解中可以看到传输线上的任意一点的电压和电流都是入射波和反射波的叠加 ，因此传输线上任意一点的输入阻抗值都是时间 、位置、终端匹配的函数，所以再使用输入阻抗来研究传输线已经失去意义了，所以引入了特征阻抗、行波系数、反射系数的概念。注意反射系数和行波系数并不仅限于在传输线的两端，对于传输线上的任意点，它们都有意义。

特征阻抗是指传输线理论中较为重要的概念， 是沿线上分布电容和电感的的等效，它的物理意义是，入射波的电压与电流 的比值，或反射波的电压与电流的比值 。由电报方程可以得到特征阻抗的解，见式 (4)， 由于R、G的值相对比较小，特征阻抗可简化为:

1.3 偶模阻抗、奇模阻抗、差分阻抗

当两根传输线比较靠近时他们之间会存在耦合 ，耦合会使传输线的特征阻抗发生改变 ，引出个有效特征阻抗的概念 。我们首先从感性上进行存在合时研究有效特征阻抗的计算方法 。如图:

一个奇模阻抗的概念Zodd，即当在一对耦合传输线中传输差分信号时 ，单根传输这就引入了线的有效特征阻抗，即:

为了克服反射，在每根差分线上加的终端匹配电阻应为奇模阻抗Zodd，而不是Zo。在一般的差分信号的应用中，为了避免引入来自地的噪音，采用一个阻值为2倍Zodd的电阻跨在差分对上的匹配方式，这个电阻就是差分电阻，它的值应为奇模阻抗的二倍。

和奇模传输相对应，当两根相邻传输线上传输 共模信号，即i1=i2时，同理我们可以得到以下公式:

通过以上的差分阻抗的感性认识 后，我们再进行奇模阻抗、偶模阻抗和差分阻抗的的数学推导。忽略传输线上的损耗，我们可以建立耦合传输线的模型如下:

L1、C1分别为有另外一根传输线存在时的，一根传输线上的分布电感和分布电容L12、C12为两根传输线之间的耦合电感和耦合电容。L0、CO为没有另外一根传输线存在时的,单根传输线上的分布电感和分布电容。

电容耦合系数为: Kc = C12/C1,
电感合系数为 : K = L12/L1,

根据磁场分布的特点，当存在另一根线耦合时，如果该线并非导磁体，其场分布图形受到的影响不大。所以

与公式(10b)和(13)得到的偶模和奇模阻抗公式是一致的，这证明我们的推导是正确的.

以上只是理论上的推导 ，通常，传输线的延迟和特征阻抗是由所用的 PCB印制线的横截面几何形状和绝缘材料计算得到，以上公式就是计算的 基础。具体的计算方法参见公司的 《阻抗控制规范》。 由于受PCB印制线制造时诸如最大绝缘厚度和最小印制线宽度的制约 ，电路板通常在40~75欧姆范围内控制特征阻抗。 器件的输出电阻一般 10几欧姆左右，因此始端串联匹配时电阻般选33欧姆左右与走线的阻抗匹配。

阻抗的不连续是造成反射的根源，反射会造成过冲、振铃等现象，过冲集中了较大的能量，而且振铃与过冲包含有大量谐波成分 ，对EMC产生不良影响，实践证明削减过冲与振铃，可以有效的减小传导与辐射干扰 。阻抗失配，如换层、多负载分叉 、跨分割区等都会造成信号质量问题，解决了这些，大部分的EMC问题也就相应解决了 。当然信号频率与上升、下降速率也是影响反射与EMC的重要因素。因此对于高速信号，一般要求阻抗保持连续。

2.生产工艺对阻抗控制的影响

生产工艺对阻抗的影响很大 ，首先理论上讲，通过连续的调节介质的厚度可以得到连续变化的阳抗控制，但这在PCB生产厂家是难以达到的，因为目前国内的生产厂家一般采用层压 成板的生产方式，所以各层的介质厚度分为很多的规格 ，而不是连续变化的。目前，绝大多数PCB生产厂家的PCB采用两种介质: 芯材和半固化片，芯材和半固化片的交替叠加构成 PCB板。一个八层板的典型叠层结构如下图：

芯材是两面附有铜箔的介质 ，即一个简单的双面板 。芯材有以下 10几种规格 : 0.mm0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.2mm、 1.5mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm。

注意:在进行阻抗控制的时候，一定要考虑到芯材的厚度中是否包含了铜箔的厚度。

半固化片有1080、2116、7628等三种规格，应至少选择两片以上的 半固化片进行组合。由于半固化片在层压期间，会出现流稀的现象，使得介质的厚度变薄 。应当注意计算阻抗时对于走线层铜箔层压时会嵌入介质中，平面层不受影响。

由以上阻抗的物理意义可以看到 ，阻抗是由PCB走线的自感、自容以及互感、互容决定的，而这些PCB的寄生参数又与板材和 PCB生产厂家的加工工艺密切相关 。所以生产厂家的加工工艺直接影响着阻抗的控制精度。按照理论分析，同一条PCB走线上的阻抗应该是一致的，但由于线的各处线宽、介质厚度受加工工艺的影响存在偏差，从而使得线各点的阻抗不一致。

微带线相对于带状线来说，更易于向外辐射与受到干扰，因此对于关键信号线如时钟、低位地址等周期性较强的信号线应走带状线的形式，并且保持阻抗的连续性。

另外，一般过大的容性负载会使特性阻抗降低 ， 负载过重也会影响特性阻抗；