PCB特性阻抗簡(jiǎn)介

1、pcb特性阻抗簡(jiǎn)介今就電子學(xué)的領(lǐng)域出發(fā)解譯影響高頻特性阻抗品質(zhì)諧振（resonance）。所謂的諧振意指可發(fā)生于任一物理系統(tǒng)中，只要該系統(tǒng)具有相對(duì)形式之貯能零件。當(dāng)貯存于這些零件中之能量作相互交換時(shí)，就不需再自能源取得額外之能量，而將有諧振存在。我們都知道當(dāng)駕駛一前輪不平衡之車(chē)輛時(shí)，在某些特定速率下，不平衡的輪子之振動(dòng)率等于前端懸吊者之自然諧振頻率，則存在在一系統(tǒng)中之彈簧及質(zhì)量中之能量可彼此互作交換導(dǎo)致一大的振動(dòng)及方向盤(pán)之移動(dòng)，這些情形司機(jī)常見(jiàn)到之。在此文中，我們將討論在電路中之諧振特性及一些應(yīng)用。電路中之諧振，要求電抗量必須能互相抵銷(xiāo)。在一串聯(lián)rlc電路中，此需電抗性電壓降抵消：在一并聯(lián)rl

2、c電路中，則需電抗性電流互相抵消。一串聯(lián)電路的阻抗，為電阻值及電抗值之向量和。在一串聯(lián)rlc電路中，將有一頻率，在該頻率下可使其電感抗及電容抗相等，此頻率稱(chēng)為諧振頻率?？墒闺娍怪祷ハ嗟咒N(xiāo)，導(dǎo)致凈電抗值為0，在諧振頻率(f0),|xl|=|xc|。其中所言的rlc電路即指電阻、電感、電容組件所組合而成的電子回路，所以了解何為特性阻抗之前，甚至何謂諧振頻率應(yīng)先就其材料特性加以了解。就電阻而言：電阻器(resistor)在高頻電路中應(yīng)用甚廣，但是一般對(duì)電阻特性的了解，仍多局限于電阻在直流電路中所呈現(xiàn)的阻尼特性。實(shí)際上，電阻在高頻電路中，因受信號(hào)頻率的影響，不僅電阻值會(huì)隨之改變，更可能會(huì)呈現(xiàn)電感或電容

3、的特性。如圖所示電阻器在高頻時(shí)的等效電路，r為電阻器的電阻值，l為其兩端引線(xiàn)的電感，c為存在于電阻器內(nèi)所有雜散電容的總和。雜散電容形成的原因，隨電阻器結(jié)構(gòu)的不同而異。以碳粒合成電阻(carbon composite resistor)為例，由于其結(jié)構(gòu)為以微小碳粒壓合而成，故在各碳粒之間都存有電容。此即為等效電路中雜散電容c的來(lái)源之一。由此可以推知碳粒合成電阻的高頻特性甚差。另外就tdr測(cè)量空板上的傳輸線(xiàn)而言亦可依上述的方式解譯，其中上述所提l的效應(yīng)來(lái)自電阻的兩端引線(xiàn)，同理推驗(yàn)可知，tdr所使用探棒的測(cè)頭如接于導(dǎo)通孔時(shí)即產(chǎn)生傳輸路徑，此輸入信道愈長(zhǎng)則l效應(yīng)相對(duì)愈大，此現(xiàn)象將如同業(yè)先前所提的測(cè)阻抗

4、泥效應(yīng)，亦指目前tdr在測(cè)試時(shí)所看到前端振蕩效應(yīng)。該效應(yīng)對(duì)于愈短距離的傳輸線(xiàn)而言，將會(huì)造成觀察的困難。就電容器而言：電容器對(duì)基本結(jié)構(gòu)，是以?xún)善饘倨桨逯虚g隔以絕緣介質(zhì)而成的組件，該組件在電路設(shè)計(jì)大都用作高頻旁路或交連電容如與電感器結(jié)合，則可設(shè)計(jì)為濾波電路或?yàn)檎{(diào)諧電路，但一般對(duì)高頻電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)其設(shè)計(jì)使用的電容器，往往不一定是選擇最適合的，常以取得方便為主做為考慮，所以往往高頻訊號(hào)傳輸過(guò)程將因電容器所造成的諧振點(diǎn)不同而使阻抗值偏差，所以電容器在設(shè)計(jì)時(shí)即應(yīng)慎重考慮其品質(zhì)。另就空板電路板的結(jié)構(gòu)，且以目前多層板的結(jié)構(gòu)而言，往往層與層之間的結(jié)構(gòu)形同為電容器的結(jié)構(gòu)如圖。就電容器而言有一品質(zhì)因子q，其公式為

5、q = 1/df (dissipation factor散逸因子)。當(dāng)df值愈小時(shí)即q值愈大，所以就真正的電容器或電路板的層與層之間的結(jié)構(gòu)而言，訊號(hào)傳輸過(guò)程的能量損失愈小則品質(zhì)愈佳。所以就板材材料而言，在單體材料時(shí)即應(yīng)做電容值測(cè)試甚至于材料后加工后，亦應(yīng)做電容值測(cè)試，因在壓合后每平方單位面積上的流膠分布將因溫度、壓力而異于原始材料結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴牧嫌诩庸ず笃涮匦詴?huì)有所差異，再者就電路板廠制程的一銅制程而言，在做電化學(xué)銅時(shí)因電鍍的效應(yīng)關(guān)系，所以往往在該銅層之中會(huì)有縫隙，而該縫隙或漏洞將同前敘所言，電阻組件中碳粒之間都存有電容，意指銅層中的漏洞將產(chǎn)生額外的雜散電容，如此將導(dǎo)致以后諧振頻率中所需的|xc

6、|不易控制，最后終將導(dǎo)致特性阻抗的無(wú)法精確控制，因此一銅的制程將不只影響到二銅的結(jié)果而已。所以在預(yù)估階段的特性阻抗時(shí)往往無(wú)法有效掌控壓合后真正的介電常數(shù)值。就電感器而言，電感器(inductor)多以導(dǎo)線(xiàn)繞制而成，導(dǎo)線(xiàn)在繞成線(xiàn)圈后，其所呈現(xiàn)的電感量，都比同樣長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)為大。使得線(xiàn)圈電感量增加的原因，在于線(xiàn)圈每匝所產(chǎn)生的磁通量，都能通過(guò)相鄰各匝，進(jìn)而形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)所致。因此，任何能加強(qiáng)磁場(chǎng)的方法，都能使電感量增加。電感量的大小，與線(xiàn)圈的形狀有關(guān)。電感器在高頻電路中，是為常用組件之一，諸如諧振、濾波、相移以及延時(shí)等電路，都必須應(yīng)用電感器。如上述所言，今為就電路設(shè)計(jì)者而言應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)高頻訊號(hào)傳輸環(huán)境

7、時(shí)此參數(shù)即因甚重考慮。因如前之所述，在諧振率(f0)時(shí)|xl|=|xc|此時(shí)的匹配阻抗將 達(dá)最完美狀態(tài)，但就一條高頻的傳輸線(xiàn)而言本身的自感量尚不及1nh，所含的電感量不多，此將如何增加磁通量將是一大困難。傳輸線(xiàn)上并無(wú)增加磁通量的裝置，因此如要解決下列問(wèn)題應(yīng)如何進(jìn)行呢？簡(jiǎn)單，只要在主要改傳輸線(xiàn)的二旁加入并行的傳輸線(xiàn)并控制彼此之間的間距即可，因?yàn)橹T如此類(lèi)對(duì)設(shè)計(jì)此方法可有效加強(qiáng)電感量于電路中，如rambus線(xiàn)路如下圖。 計(jì)算公式為：l=r =線(xiàn)圈的半徑cm n =線(xiàn)圈匝數(shù)l =線(xiàn)圈的長(zhǎng)度cm當(dāng)一電感量增加時(shí)再控制所需的|xl|的量，即可與|xc|平衡達(dá)到諧振頻率。如此，對(duì)諧振的問(wèn)題將可有效控制，進(jìn)而

8、達(dá)到高品質(zhì)的高頻傳輸線(xiàn)路。你可試著思考如果rambus傳輸線(xiàn)二旁的地線(xiàn)或一些在試片上曾加入的仿真線(xiàn)于二邊的傳輸線(xiàn)，今如去掉仿真線(xiàn)就最后的特性阻抗將又如何？今將就r.l.c在高頻時(shí)所衍生出來(lái)的串聯(lián)諧振特性說(shuō)明如下，但在此之前就高頻電路板設(shè)計(jì)者首先要先決定多少的匹配阻抗值適用于高頻主動(dòng)組件與被動(dòng)組件之間的傳輸線(xiàn)阻抗。其必備已知的條件如下1. 主動(dòng)組件的輸出阻抗值(output impedance)2. 被動(dòng)組件的輸入阻抗值(input impedance)說(shuō)明：已知主動(dòng)組件的輸出阻抗值為50，及希望與已知被動(dòng)組件的輸入阻抗值為68，如此即可得出傳輸線(xiàn)的阻抗匹配值將為58.31，公式為：如1-1公式

9、算出匹配的傳輸線(xiàn)阻抗將為58.3，若轉(zhuǎn)換成頻率對(duì)阻抗的曲線(xiàn)圖則如下所示：由上述所言可知在諧振頻率時(shí)(f0)其阻抗剛巧等于電路之總電阻值，因此時(shí)可使電感抗與電容抗相等，并使電抗值抵銷(xiāo)此時(shí)的頻率即為諧振頻率。在較f0為低之頻率時(shí)，電容抗大于電感抗。故電路之總阻抗是電阻值與凈電抗值之相量和。明顯地，工作頻率較諧振頻率愈低，則凈電抗值愈大，總阻抗值亦愈大。且阻抗的落后之相位角亦愈大，簡(jiǎn)言之，對(duì)低于諧振頻率之頻率的串聯(lián)rlc的電路將呈電容性。在較f0為高之頻率時(shí)，電感抗大于電容抗，阻抗為電阻值及凈電感抗之相量和。頻率較諧振頻率愈高時(shí)，電路變?yōu)楦唠姼行浴Ｗ杩怪畬?dǎo)前的相位角亦愈大，總阻抗值亦愈大。我們綜合

10、上述諸效應(yīng)如下：f f0 : zt=r-j (xc-xl)=tan-1 xc-xlrf f0 : zt=r+j (xl-xc)=tan-1 xl-xcr因此如上說(shuō)明后可得知，傳輸線(xiàn)的特性阻抗值將來(lái)自諧振頻率點(diǎn)(f0)的位置而定，而該位置則影響來(lái)自容抗及感抗的含量而定。電路設(shè)計(jì)者另要對(duì)高頻傳輸線(xiàn)在高頻訊號(hào)傳輸時(shí)的傳輸介質(zhì)做選擇，因就傳輸線(xiàn)的等效電路圖而言將如下所示：由前述得知當(dāng)電容的容抗及電感的感抗不相等時(shí)，即會(huì)使傳輸線(xiàn)的阻抗特色呈現(xiàn)電容或電感效應(yīng)，其中電容效應(yīng)尤為劇烈，因此如能調(diào)整電容參數(shù)即能控制介質(zhì)常數(shù)的穩(wěn)定，將進(jìn)而可調(diào)整諧振點(diǎn)(f0)及得到最后傳輸線(xiàn)上的匹配阻抗值，因此就材料內(nèi)的電容參數(shù)阻計(jì)算公式如下c=r8.8510-12 f/m條件r=4.3則c=4.38.8510-12 f/m=38pf其中上述公式8.8510-12 f/m為自然界的空氣介質(zhì)常數(shù)，f則為電容的容量單位法拉。電路設(shè)計(jì)者對(duì)于未來(lái)傳輸線(xiàn)上的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度亦要做考慮，因不同的傳輸頻率及不同的傳輸介質(zhì)，將影響傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度，舉例說(shuō)明設(shè)計(jì)一串聯(lián)諧振的回路線(xiàn)