集總元件和分布元件描述

產(chǎn)品的設(shè)計中，研發(fā)選用很多無源器件，其中最為常用三大件：電阻、電容、電感。相對于分布元件（傳輸線），集總元件（電阻、電容、電感）是基于空間的點來做分析，信號完整性中的互連模型都是基于集總元件和分布元件來加以描述。

集總元件在硬件工程師看來，他們關(guān)注于其電氣參數(shù)：電阻器（額定功率，負(fù)荷特性，溫度系數(shù)等），電容器（額定電壓，耐壓值，頻率特性等），電感器（額定電流，品質(zhì)因數(shù)等）。

我們更關(guān)注于其對信號鏈路的影響，額外寄生參數(shù)（寄生電阻，寄生電容，寄生電感）的影響，也就是仿真中的參數(shù)提取。同時關(guān)注其能量損耗（電能變?yōu)闊崮埽姶拍茏優(yōu)闊崮艿龋?，對?yīng)協(xié)議中相關(guān)損耗標(biāo)準(zhǔn)。

01

電阻

導(dǎo)體對電流阻礙作用的大小。

電阻（Resistor，通常用“R”表示）是一個物理量，電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，因為導(dǎo)體的電阻隨長度、截面大小、溫度和導(dǎo)體成分的不同而改變。所以，電阻沒有一個固定值。電阻的單位是歐姆，符號為?。

體電阻率：

不同于電阻會隨著物理尺寸（長度，寬度等）而改變，體電阻率與其無關(guān)。

體電阻率是一種材料特性，材料不同，體電阻率也不同。

體電阻率和電導(dǎo)率互為倒數(shù)。

電阻作用是分壓和分流，是基于歐姆定律：

集總元件的電阻，將版圖設(shè)計中的走線（銅）兩點之間看成一個電阻，假設(shè)這段走線的橫截面恒定，近似公式：

02

電容

兩個導(dǎo)體，中間夾一層絕緣介質(zhì)（包括空氣），給定一定電壓下的自由電荷量。

電容（Capacitance，通常用“C”表示）表示容納電荷多少的物理量。電容量的大小和幾何結(jié)構(gòu)以及周邊介質(zhì)的材料屬性有關(guān)。

電容的基本公式：

需要注意的是：電壓值增大，異性相吸的規(guī)則，電荷量也會增大，所以比值一般保持不變。

我們更多關(guān)注電容公式，如下：

實際的版設(shè)計中，電容功能的充放電關(guān)注比較少。更多關(guān)注的是：PCB像平行電容，信號在銅線中流過，電流的變化，特別是交流信號，隨著頻率的不同，引起的串?dāng)_和信號完整性相關(guān)的問題。

需要注意的是，因為中間的絕緣介質(zhì)，引出了“位移電流”的概念，這個不同于傳導(dǎo)電流。

電容除了電源儲能，信號濾波等作用。電源的軌道塌陷的解決之道，便是在電源和地之間多加去耦電容，降低PDN的阻抗，來保證電源壓降的需求。

03

電感

流過單位安培電流時，環(huán)繞在導(dǎo)體周圍的磁力線匝數(shù)。

當(dāng)電流通過線圈后，在線圈中形成磁場感應(yīng)，感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。

電感（Inductor，通常用“L”表示），閉合回路的一種屬性，即周圍環(huán)形磁力線圈。

電感的電流發(fā)生變化，電感兩端就會產(chǎn)生電壓，也稱之為感應(yīng)電動勢，該電壓產(chǎn)生的感應(yīng)電流會阻礙原電流的變化。

這個由電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是我們需要避免的，它產(chǎn)生大多數(shù)電磁干擾源（串?dāng)_，地彈等）。

自感和互感

一個導(dǎo)體流過單位電流，產(chǎn)生自身的磁力線圈匝數(shù)，是自感。

產(chǎn)生在別的導(dǎo)體周圍的磁力線圈匝數(shù)，是互感。

04

實際應(yīng)用

在實際過程中，集總元件本身不需要太多關(guān)注，更多關(guān)注于寄生電阻，寄生電容，寄生電感等。

器件的引腳，亦或是焊錫絲的影響（體電阻率：銅是1.58，錫是10.1）等所引起的阻抗突變，在版圖設(shè)計中的處理，更多是對焊盤的優(yōu)化。

焊盤面積比走線大，面積增大，電容變大，阻抗變小。焊盤下方挖空，距離變大，電容變小，阻抗變大。通過這樣的處理，來抑制阻抗的突變，降低反射，盡量保證阻抗匹配。

版圖設(shè)計中，8Gbps以上速率的信號過孔，就是加大焊盤到銅皮的間距，來改變寄生電容的大小，同時盡量保持過孔寄生電感，來管控過孔阻抗。

當(dāng)然，過孔的殘樁也是需要考慮的主要因素，這里就不做展開了。

版圖設(shè)計中，設(shè)計指導(dǎo)也會提出HSD（高速信號差分線）走線路徑盡量遠(yuǎn)離電感，距離上每個產(chǎn)品會有不同的要求。很多產(chǎn)品都是15mils起。

特別是開關(guān)電源的輸入，輸出電感區(qū)域，是禁布區(qū)域。

很多設(shè)計規(guī)則都是考慮其信號完整性，設(shè)計規(guī)則就是規(guī)避這些風(fēng)險，規(guī)則的優(yōu)化和判定正是信號完整性工程師職責(zé)所在。所以信號完整性工程不僅僅是仿真工程師，更是產(chǎn)品的PCB板級信號質(zhì)量的優(yōu)化工程師。

審核編輯：劉清