一文帶你了解什么是阻抗

什么是阻抗？（Impedance ）

具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成，但不是三者簡(jiǎn)單相加。 阻抗的單位是歐。

對(duì)于一個(gè)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(lái)說(shuō)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(shí)候阻抗增加到最大值，這和串聯(lián)電路相反。

阻抗匹配在高頻設(shè)計(jì)中是一個(gè)常用的概念，這篇文章對(duì)這個(gè)“阻抗匹配”進(jìn)行了比較好的解析?；卮鹆耸裁词亲杩蛊ヅ?。

****什么是阻抗 匹配 （Impedance matching）？

是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線(xiàn)上，來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過(guò)改變阻抗力（lumped-circuit matching），另一種則是調(diào)整傳輸線(xiàn)的波長(zhǎng)（transmission line matching）。

為什么要做阻抗匹配？

信號(hào)或廣泛電能在傳輸過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)反射傳輸或最大功率傳輸，要求電路連接實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配關(guān)系著系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)匹配可使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。阻抗匹配的概念應(yīng)用范圍廣泛，阻抗匹配常見(jiàn)于各級(jí)放大電路之間，放大電路與負(fù)載之間，信號(hào)與傳輸電路之間，微波電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，無(wú)論是有源還是無(wú)源，都必須考慮匹配問(wèn)題，根本原因是在低頻電路中是電壓與電流，而高頻中是導(dǎo)行電磁波不匹配就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的反射，損壞儀器和設(shè)備。

阻抗匹配的基本原理是什么？

阻抗匹配是使微波電路或是系統(tǒng)的反射，載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。阻抗匹配分為兩大類(lèi)：

（1）負(fù)載與傳輸線(xiàn)之間的阻抗匹配，使負(fù)載無(wú)反射。方法是接入匹配裝置使輸入阻抗和特性阻抗相等。

（2）信號(hào)源與傳輸線(xiàn)之間匹配，分為兩種情況：1）使信號(hào)源無(wú)反射，方法是接入信號(hào)源與傳輸線(xiàn)之間接入匹配裝置。2）信號(hào)源共軛匹配，方法是信號(hào)源與被匹配電路之間接入匹配裝置，這種情況下多屬于有源電路設(shè)計(jì)。

阻抗計(jì)算方法（以一個(gè)八層板為例）

下面以如圖1所示的八層板為例來(lái)介紹下相關(guān)阻抗的計(jì)算方法

圖1

1 **. **微帶線(xiàn)阻抗計(jì)算

（1）表層(Top/Bot層)參考第二層，單端阻抗選用CoatedMicrostrip 1B模型，單端50歐姆阻抗計(jì)算方法如圖2所示，最后得到表層50歐姆單端線(xiàn)寬為6mil。

圖2表層(Top/Bot層)單端阻抗計(jì)算

（2）表層差分阻抗選用Edge-CoupledCoated Microstrip 1B模型，差分100歐姆阻抗計(jì)算如圖3所示 ，最后得到的表層100歐姆差分線(xiàn)寬線(xiàn)距為4.7/8mil。

圖3 表層(Top/Bot層)差分阻抗計(jì)算

（3）表層（Top/Bot層）射頻信號(hào)50歐姆阻抗的計(jì)算：

因?yàn)樯漕l信號(hào)要有足夠?qū)挼木€(xiàn)寬，在阻抗不變的情況下，加大線(xiàn)寬就必須增加阻抗線(xiàn)到參考層的距離，所以50歐姆射頻信號(hào)要做隔層參考也就是參考第三層，阻抗模型選用CoatedMicrostrip 2B阻抗計(jì)算方法如圖4所示，最后得到表層50歐姆射頻信號(hào)的線(xiàn)寬為15.7mil。

圖4 表層50歐姆射頻信號(hào)阻抗計(jì)算

（4）微帶線(xiàn)阻抗計(jì)算參數(shù)說(shuō)明：

1.H1是表層到參考層的介質(zhì)厚度，不包括參考層的銅厚；

2.C1,C2,C3是綠油的厚度，一般綠油厚度在0.5mil~1mil左右，所以保持默認(rèn)就好，其厚度對(duì)阻抗的影響不是很大；

3.T1的厚度一般為表層基銅銅厚加電鍍的厚度，1.8mil為0.5OZ（基銅厚度）+Plating的結(jié)果；

4.一般W1是板上走線(xiàn)的寬度，由于加工 后的線(xiàn)為梯形，所以W2

2.帶狀線(xiàn)阻抗計(jì)算

（1）帶狀線(xiàn)（Art03和Art06層）內(nèi)層單端阻抗選用Offeset Stripline 1B1A模型,50歐姆阻抗計(jì)算方法如圖5所示，計(jì)算出來(lái)的內(nèi)層50歐姆單端線(xiàn)寬為5mil。

圖5 內(nèi)層50歐姆單端阻抗計(jì)算

（2）帶狀線(xiàn)（Art03和Art06層）內(nèi)層差分阻抗選用Edge-Coupled Offeset Stripline模型 1B1A,100差分歐姆阻抗計(jì)算方法如圖6所示，計(jì)算出來(lái)的內(nèi)層100歐姆差分線(xiàn)寬線(xiàn)距為4.3/9mil。

圖6 內(nèi)層100歐姆差分阻抗計(jì)算

（3）帶狀線(xiàn)阻抗計(jì)算參數(shù)說(shuō)明：

1.H1是導(dǎo)線(xiàn)到參考層之間core的厚度，H2是導(dǎo)線(xiàn)到參考層之間pp厚度（考慮pp流膠情況）；如圖7-14和7-15阻抗計(jì)算圖所示，以ART03為例，H1就是GND02到ART03之間的介質(zhì)厚度為5.12mil，而H2則是GND04到ART03之間的介質(zhì)厚度再加上銅厚，所以H2的值應(yīng)該為14mil+1.2mil=15.2mil；

2.Er1和Er2之間的介質(zhì)不同時(shí)，可以填各自對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)；

3.T1的厚度一般為內(nèi)層銅厚；當(dāng)為HDI板時(shí)，需要注意內(nèi)層是否有電鍍，有電鍍的話(huà)需要將電鍍的厚度加上去。

3. 共面波導(dǎo)阻抗計(jì)算

上述是常見(jiàn)的阻抗計(jì)算，然而有部分PCB板厚較厚，層數(shù)較少，利用上述方法沒(méi)有辦法計(jì)算出阻抗線(xiàn)的具體參數(shù)，這個(gè)時(shí)候就要考慮共面波導(dǎo)模型，這種模型是信號(hào)線(xiàn)參考其旁邊的地線(xiàn)做阻抗，一般在雙面板的場(chǎng)合用的比較多。

（1）單端50歐姆，選用Coated Coplanar Strips With Ground 1B模型，其阻抗計(jì)算方法如圖7所示，計(jì)算結(jié)構(gòu)為阻抗線(xiàn)寬14mil，阻抗線(xiàn)到地線(xiàn)的距離4mil，地線(xiàn)的寬度為20mil。

圖7 50歐姆共面波導(dǎo)阻抗模型計(jì)算

（2）差分100歐姆，選用 Diff Coated Coplanar Strips With Ground 1B，其阻抗計(jì)算方法如圖8所示，計(jì)算結(jié)果為100歐姆差分線(xiàn)寬線(xiàn)距為6/5mil，差分線(xiàn)到地線(xiàn)的距離為7mil，地線(xiàn)線(xiàn)寬為20mil。

圖8 100歐姆差分共面波導(dǎo)阻抗模型計(jì)算

（3）共面波導(dǎo)阻抗計(jì)算參數(shù)說(shuō)明：

1.H1是阻抗線(xiàn)到最近參考層的介質(zhì)厚度；

2.G1和G2是伴隨地的寬度，一般是越大越好；

3.D1是到伴隨地之間的間距。

4. 阻抗計(jì)算的幾個(gè)注意事項(xiàng)

（1）線(xiàn)寬寧愿寬，不要細(xì)。

因?yàn)槲覀冎乐瞥汤锎嬖诩?xì)的極限，寬是沒(méi)有極限的。如果到時(shí)候板廠(chǎng)為了調(diào)阻抗把線(xiàn)寬調(diào)細(xì)而碰到細(xì)的極限時(shí)那就麻煩了，要么增加成本，要么范松阻抗管控，要么修改設(shè)計(jì)...所以在計(jì)算時(shí)相對(duì)寬就意味著目標(biāo)阻抗稍微偏低，比如50歐姆，我們算到49歐姆就可以了，盡量不要算到51歐姆。

（2）整體呈現(xiàn)一個(gè)趨勢(shì)。

我們的設(shè)計(jì)中可能有多個(gè)阻抗管控目標(biāo)，那么就整體偏大或偏小，不要100歐姆的偏大，90歐姆的偏小

（3）考慮殘銅率和流膠量。

當(dāng)半固化片一邊或兩片是蝕刻線(xiàn)路時(shí)，壓合過(guò)程中膠會(huì)去填補(bǔ)蝕刻的空隙處，這樣兩層間的膠厚度會(huì)減小，殘銅率越小，填的越多，剩下的越少。所以如果你需要的兩層間半固化片厚度是5mil，要根據(jù)殘銅率選擇稍厚的半固化片

（4）指定玻璃布型號(hào)和含膠量。

看過(guò)板材datasheet都知道不同的玻璃布，不同的含膠量的半固化片或者芯板的節(jié)點(diǎn)系數(shù)是不同的，即使是差不多高度的也可能是3.5和4的差別，這個(gè)差別可以引起單線(xiàn)阻抗3歐姆左右的變化。另外玻纖效應(yīng)和玻璃布開(kāi)窗大小密切相關(guān)，如果你是10Gbps或更高速的設(shè)計(jì)，而你的疊層又沒(méi)有指定材料，板廠(chǎng)用了單張1080的材料，那就可能出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。

（5）多和板廠(chǎng)溝通

當(dāng)然殘銅率和流膠量有時(shí)候計(jì)算會(huì)有誤差，新材料的介電系數(shù)有時(shí)和標(biāo)稱(chēng)不一致，有的玻璃布板廠(chǎng)沒(méi)有備料等等都會(huì)造成設(shè)計(jì)的疊層實(shí)現(xiàn)不了或者交期延后。出現(xiàn)這些情況的時(shí)候，最好的辦法就是在設(shè)計(jì)之初讓板廠(chǎng)按設(shè)計(jì)師的要求，根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)個(gè)疊層，經(jīng)過(guò)多次的溝通和確認(rèn)，這樣最多幾個(gè)來(lái)回就可以得到理想的疊層，方便后續(xù)的設(shè)計(jì)