谜一样的电感

来源:一博科技 时间:2018-12-3 类别:微信自媒体

前面我们一起回顾了电容,相信大家对电容以及影响电容的因素有了充分的了解。今天我们就一起来看看电感。要理解电感,一定离不开电磁场,今天的我们有幸站在巨人的肩膀上看世界,能够相对直观的了解电磁场的形成与变化。

电场的场源电荷的库仑力叠加成电场力,电场力驱动电荷定向移动形成电流。电流通过导线A时,导线A周围会产生磁力线圈构成磁场。当电流发生变化,导线A周围的磁场也随之变化,因此导线A上会形成感应电动势。感应电动势形成感应电流,感应电流产生的磁场将抵消原电流产生磁场的变化,即阻止原电流的变化。导线A周围的导线B也会受到变化磁场的影响,导线B感受到变化磁场从而产生感应电动势形成感应电流,导线B上的感应电流产生的磁场将抵消导线A原电流产生磁场的变化,即阻止导线A原电流的变化。

要理解电感,首先得知道电感的分类。使用正确的限定词,除了有助于自己理解记忆电感,更可以避免误用术语引起误会。
1. 流过单位安培电流时,环绕在导体周围的磁力线匝数称为电感

2. 当单位安培电流通过导体时,环绕在该导体周围的磁力线匝数,称为导线的自感。导线的自感与其他导线的电流无关,且自身电流产生的磁力线匝数不变。

3. 导体通过单位安培电流时,一部分磁力线圈会环绕在另一导体周围。这部分磁力线圈匝数就是互感。且互感是相互的,我的一部分磁力线圈环绕在你周围,你也有相同数量的磁力线圈也会环绕在我周围。互感的大小受两导线间距的影响,两导线的距离靠近,互感增加,反之减小。

4. 自感加上互感的影响,其结果就是有效电感。电流方向不同,互感的影响也是不一样的。

如果相邻的A/B两导体内电流方向相同。

有效电感=互感+自感    即


如果相邻的A/B两导体内电流方向相反。
有效电感=互感-自感    即


信号在传输线上本质是一种交变电磁场,由于线间的互感,磁场变化时会在另一根导线上产生感应电压。感性耦合产生的感应电压与容性耦合产生的感应电流共同构成是串扰。因为感应电压和感应电流的大小都受导体间距和电压变化速度影响。所以影响串扰大小的主要因素是导线的间距和信号频率。所以为了保证系统的高速运行,通过增加两传输线的间距,减小传输线间的互感和互容,从而减小串扰。在实际项目中,传输线间距多少才合适呢?(下记是串扰示意图)

传输线中有电流通过时,电磁场能量分布类似正态分布,约70%地能量集中在导线周围3H范围内。如果两导线距离大于3H,两导线之间的互感会急剧下降,能有效降低的串扰量。这就是PCB设计工程师3H/W经验法则的由来。根据经验法则,两线间距3W情况下,近端串扰约在1.9%,远端串扰约-2.2%(仅微带线,带状线几乎没有远端串扰,这也是我们建议高速传输线在内层布线的原因)。H是指走线到参考层的高度,因为常用50欧姆阻抗线线宽W接近H,为了量化通常用W表述,实际设计中W通常都大于H。另外减小H能加强与GND平面的耦合,使能量集中在更小的范围,相同间距下串扰更小。由于H减小,阻抗线线宽也会减小,不需要额外空间就增加了间距,再次减少串扰。这个技能你get到了吗?(下记是3W经验法则的示意图)

高速链路中我们通常使用均匀传输线以保证阻抗连续性,使信号在传输过程中没有反射。


如果在传输线中途有感性突变,信号会受到怎样的影响?小陈自己脑补了一波:由于传输线中有额外的L,根据阻抗公式

瞬态阻抗变大,信号在此发生反射。那我要怎么改善呢?小陈又脑洞了一波:既然你增加了电感,那我兵来将挡,水来土掩。通过在电感突变的地方进行容性补偿,增加电容使阻抗再次平衡,消除反射。真实情况会是我想的这样吗? 我们来验证一下。

我用软件搭建一个50欧姆阻抗的传输线链路,并进行了端接,激励源是频率为1GHz,源电压是2V。通过分压,加载到传输线上的电压是1V,在末端全反射时瞬态电压是2V。模拟传输线中途有感性突变时,观察信号传输到末端时的波形。并尝试通过容性补偿,观察能否消除感性突变的影响。

感性突变8nH时: 补偿电容计算:C=L/(Z平方)    C=8/50*50=3.2pf   为了更好的补偿效果,分成2个1.6pf并联。


容性补偿前的信号波形图:


通过信号仿真波形可以看到,由于传输线中途有8nH的感性突变,反射使信号产生过冲,过冲幅度约是300mV。
容性补偿后信号波形图:


通过信号仿真波形可以看到,基本消除了信号过冲,只有一些几十mV的毛刺.通过局部电容补偿, 提升局部的电容,根据阻抗公式,容性上升,阻抗下降,从而抵消高电感对阻抗的影响,是阻抗达到平衡,消除或改善反射,信号过冲消失。在实际设计中增加容性的方式不一定是放置电容器,加宽线宽(增大两极板耦合面积)、减小到参考层间距(减小两极板距离),更高的介电常数的材料,这些方法都能提升走线的单位长度电容,降低阻抗。优化方案都来自于电容系列我们了解过的影响电容量三要素。

而电感器是具电感性的装置,通常是导磁体芯上缠绕线圈构成。它有通直流阻交流的特性。电感阻碍电流的变化,因此电感上的电流不会发生突变。根据这一特性,电感器在电路中对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。关于电感器应用我们只做一个了解,更多的是基于电感的基本原理,分析高速传输链路中的寄生电感对信号的影响。

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