一文掌握电路设计中的阻抗匹配

PCB工程师在设计PCB时，对于高速电路板或电路板上的关键信号会经常涉及到到“做阻抗”、“阻抗匹配“的这些问题。

首先解释一下什么是阻抗匹配。

阻抗匹配的原理是，当负载阻抗与传输线的特征阻抗相等时，传输线上的信号不会产生反射，能量都会被负载吸收。这种状态被称为“匹配”，而当负载阻抗与传输线的特征阻抗不相等时，传输线上的信号会产生反射，部分能量会被反射回源点，导致信号反射、反弹，损耗，原本良好的信号波形变形(上冲、下冲、振铃现象)，其将直接影响电路的性能甚至功能。

射频工程师必知必会—— 阻抗，特征阻抗与等效阻抗

阻抗，顾名思义就是对电路中电流起到阻碍作用的元器件。我们在射频电路中，又引入了特征阻抗和等效阻抗两个概念。

No.1.1 阻抗

谈到阻抗的概念，大家的第一影响就是电阻和电抗的组合。没错，在低频领域，或者在我们学习的电路原理的课程中，阻抗就是电阻和电抗的组合。

我们借用百度百科的定义就是：

在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗的单位是欧姆。

阻抗可以是电阻、电容、电感的任意组合对电流起到的阻碍作用。由于电容对直流电的阻抗无穷大，而电感对直流电的阻抗是零，因此，阻抗更多用于描述交流电路中对电流的阻碍作用。高阻抗是指阻抗值大，低阻抗是指阻抗值小。

对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。

阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢?简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗;周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。

但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是奥姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

影响阻抗的因素?

相对于阻抗变化的关系(其中一个参数变化，假设其余条件不变)，影响阻抗因素如下：

1. 阻抗线宽：阻抗线宽与阻抗成反比，线宽越细，阻抗越大，线宽越粗，阻抗越低。

2. 介质厚度：介质厚度与阻抗成正比，介质越厚，阻抗越大，介质越薄，阻抗越低。

3. 阻抗介电常数：介电常数与阻抗成反比，介电常数越高，阻抗越小，介电常数越低，阻抗越大。

4. 防焊厚度：防焊厚度与阻抗成反比，在一定厚度范围内，防焊厚度越厚，阻抗越低，防焊厚度越薄，阻抗越大。

5. 铜箔厚度：铜箔厚度与阻抗成反比，铜厚越厚，阻抗越低，铜厚越薄，阻抗越大。

6. 差动阻抗：间距与阻抗成正比，间距越大，阻抗越大，其余影响因素则与特性阻抗相同。

7. 共面阻抗：阻抗线距导体的间距与阻抗成正比，间距越大，阻抗越大，其它影响因素则与特性阻抗相同。

阻抗在中低端的线路板中涉及的一般少一些，主要是双面板、四层板、以及以上的层数的多层板。多层板的一般居多。阻抗一般分为6种：单端阻抗线、差分阻抗线、单端共面地阻线、差分共面地阻抗线、层间差分阻抗线、共模阻抗。

阻抗计算

在这里分别介绍下计算工具Si9000。

还是以四层板为例：我们首先找到我们选的层压结构的参数，主要用到以下几个参数：

1. 介质厚度：常规的tg120-130板材，双面板不同板厚的对应的H1值不一样，四层板统一为0.12mm)，H1为基材的基础铜厚。1mm≈39.37mil。

(不同板厚以及层数对应的H1数值)

2. 介电常数：常规的FR4板材TG120-130的介电常数是4.2;

3. 铜箔厚度。1oz=1.4mil，2oz=2.8mil，铜厚的数值对阻抗也是有一定影响;

4. 板子上的油墨厚度，因绿油厚度对阻抗影响较小，C1=0.6mil，C2、C3=0.5mil;

如，客户需要做单端阻抗的阻抗线宽W1为8mil，W2为7mil，阻抗线到大铜皮(地)间距D1大约为15.4mil(实际此单端共面阻抗的间距不是很重要，对阻抗数值的影响不大)。根据客户的要求，四层板的H1值都一样，为0.12mm，铜厚1oz则T=1.4mil，

以上可以知道的条件，就可以在SI900找到此对应的单端共面阻抗模型核算阻抗。