图5. 趋附效应引起的电流重新分布

随着频率增加,集肤效应将电流限制在导体厚度的较小部分,从而增加了有效电阻和相应的损耗。

图6. 由于频率和走线路径造成的信号损失

传输线和特征阻抗Zo

传输线上的电压和电流一起传播,并且是位置(x)和时间(t)的函数。传输线的特征阻抗(Zo)是与频率相关的电阻,是传输的电压波与传输的电流波之比:

图7. 传输线中的电压和电流

当电压V(x,t)和电流I(x,t)一起传播并达到端接阻抗时,欧姆定律要求V(x,t)/I(x,t)等于端接阻抗 (ZL)。

图8. 匹配Zo和ZL

当高频信号通过PCB中的路径,通过或改变其从一层到另一层的路径时,阻抗将发生变化。观察给定的PCB,我们可以看到有很多层、走线、通孔、连接,阻抗在任何给定点处都在变化,且自电容、互电容、自电感和互电感会产生寄生效应。

图9. PCB层和阻抗变化

现在,让我们引入一些集总元件,如寄生电感、电容、交流集肤电阻、直流电阻,它们存在于任何系统中。可以看出,例如寄生电容(Cdx)如何改变电流分布,从而导致传输线的特征阻抗发生变化,并使Zo(传输电压与传输电流之比)发生变化。

图10. 含集总元件的传输线

随着集肤效应降低传入信号的幅值,寄生电感两端的电压会降低负载两端电压的上升和下降时间,从而影响信号质量和使信号衰减。

图11. 寄生效应对Zo和信号完整性的影响

电压反射系数

当高频信号通过不同的路径、通孔或改变其从一层到另一层的路径时,阻抗将发生变化。控制这些寄生信号并正确端接传输线,我们可以以最小的失真传输信号。

当终端阻抗(ZL)不等于线路的特征阻抗(Zo)时,必须有一对反射电压和电流波,并且该反射信号将覆盖在源信号上,导致失真。