PCB电流与信号完整性-道格拉斯·布鲁克斯

基本的电流的性质#电流
电流是电子的流动

• I=Q/t，1A电流定义为1s内通过某处或某个面1C的电荷（6.25*10^18个电子）

• 自然界所有稳定的元素必须呈电中性，因此任何元素中质子和电子数必须相等#定理

• 原子

  • 质子，带一个单位正电荷

  • 中子，没有电荷

  • 电子，带一个单位负电荷

• 元素周期表

  • 原子中的质子数称为原子序数；

  • 一个原子的原子量（原子质量）近似等于原子核中的质子数和中子数之和

  • 能带，电子在围绕原子核的同心球轨道上

  • 价带，元素在外层能带

• 导体，价带中的电子容易释放

• 绝缘体，价带中的电子不允许自由流动

• 磁场

• 电荷场，

• 驱动电流的力
  两点间的电压差以及能引起电子流动的变化磁场

  • 电池，库伦定律#定律 能在端子提供电压差的装置

  • 发电机，法拉第电磁感应定律#定律

  • 静电

• 电压与电流

  • 电压#定义 ，有两个空间上分离的端点，一端相对与另一端有更多的电荷，将这两个端点间的力定义为电压。（不同电荷相互吸引，其作用力与电荷差的大小有关，这个力会在端点间产生一个电场）

  • 欧姆定律#定律 ：R=U/I

• 电流方向

  • 富兰克林：电流正极流向负极

  • 电子是从负极流向正极

  • 半导体空穴流

    • 半导体是电流的不良导体

    • n-掺杂：少量杂质si，将能产生多余电子的元素掺杂进另一个纯净的硅结构中，说我们在制造一个N型半导体

      • image

    • P-掺杂，少量杂质AL，产生电子的空穴

  • 基本的电流概念

    • 电流类型

      • DC

      • AC

      • 阶跃函数：当电流或者电压从一个量值很快的改变到另外一个量值，称该变化为阶跃函数变化

      • 方波，规则的、重复的阶跃变化

      • 脉冲

      • 瞬态：通常指某种脉冲形式的短期相应

      • 复合波形

        • 傅里叶定理#定理

      • 随机电流

    • 传播速度 image

      • 英寸/纳秒,1英寸=25.4mm

      • 相对介电常数

        • 材料FR4的相对介电常数约为4

    • 走线布局和信号传播

      • 微带线：简单的额表面走线，其上为空气，电路板材料位于它与其下的参考层间

      • 带状线：走线四周的材料是均匀的

        • 带状线的传播速度通常认为是11.8/2=6in/ns

    • 电路时序问题
      时序就是一切

      • 在复杂电路中，我们有遍布每一处的总线信号

      • 在某些时刻，这些信号必须完全正确的保持一致；

      • 调节走线

    • 电流的度量

      • 频率：单位时间内电流方向循环改变的次数

      • 谐波

      • 占空比

      • 上升时间：波形的10%处上升到90%处所需要的时间长度；电流从一个逻辑状态改变到另外一个逻辑状态所花的时间dt； image

      • 周期

      • 相移：通常指AC三角函数的波形，指两个类似波形间的时间差

        • 理想情况下：

          • 对电阻而言，电压电流是完全同向的

          • 对电容而言，电流超前电压90°

          • 对电感而言，电压超前电流90°

        • 振幅：

          • 峰-峰

          • 峰值

          • 平均值

          • RMS：root-mean-square，均方根 image

          • 整流：将AC转换成DC的过程

          • 分贝；dB

            • 是比率量度，不是绝对量度

            • 与功率直接相关，而不单独与电压或是电流相关

            • 是对数量度

          • 时间常数，与波形发生改变所需要的时间长度有关，即该变化占将要发生的全部变化的一定比例。

基本的电流定律#定律

• 电流在回路中流动

  • 每个信号都一个返回电流#推论

• 回路中电电流处处恒定

• 欧姆定律

• KCL，流入某一节点的电流等于流出该节点的电流

• KVL，回路电压之和为0

电阻电路#RLC

• 电阻率

• 功率和能量：电路能提供给负载的最大功率理论值是电路可获得功率的50%，不可能比这还要多。 image
  • 电路能提供给一个电阻负载的最大功率发生于负载电阻等于源电阻时#普遍真理

电容器和电容#RLC

• 定义：电容C=电荷量Q/电压U

• i=C*dV/dt

• AC电流“通过”电容器

• 电容的欧姆定律

  • 纯电容的电抗 Xc=-1/(2πfC)；负号的简单解释是通过电容器的电压相移（相对于电流）-90°

  • Xc和f之间的关系

  • 电容并联，等于电容值相加

  • 电容串联，等于电容值倒数之和的倒数

  • 功耗

  • 电容公式 image

电感器和电感#RLC

• 定义：流经电感器的电流以1A/s的恒定变化率变化时，1H电感将导致电感器上产生1V的电势差

• V=L*di/dt

• DC电流“通过”电感器

• AC电流“通过”电感器

• 电感的欧姆定律

  • 纯电感得电抗 XL=2πfL

• 电感串联，电感值相加

• 电感并联，电感值倒数之和的倒数

• 功耗

• 电感的一般公式 image

• 趋肤效应：高频现象

谐振

• 串联谐振 image
  • 串联容抗和串联感抗组合，他们的电抗刚好相等完全相反，可以抵消 image
• 并联谐振 image
  • image

• 谐振点

  • 调谐电路，只有谐振频率可以通过，其他频率将被阻塞。

阻抗

• 定义：电阻+电抗

• 表达式：Z=R+jX，实部是电阻，虚部是电抗

• 阻抗示意图： image
• 大小： image

• 相位

  • 相位角 θ，

    • 相位角为负，电路为容性

    • 相位角为正，电路为感性

    • 相位角为0，电路为阻性

• 串联RLC电路

• 并联RLC电路

• 功率因素

  • 当电流流过阻抗，阻抗表达式的实部产生功率消耗，不是其虚部。

  • 功耗=VIcos(θ)

• 电阻-a

  • 对温度的敏感性

  • 高频时可表现出趋肤效应

• 电感器-c

• 电容器-b

  • 自谐振频率（SRF），高于该频率的电容看起来像电感器而不是电容器。

  • ESR

• 自谐振

  • 电阻，无自谐振频率

  • 电感器，有可能有，但通常不考虑‘

  • 电容器，SRF非常常见，是个棘手的问题

时间常数和滤波器

• RC时间常数 image
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  • 电容器充电 image
  • 电容器放电 image
• L/R时间常数 image
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• RC滤波器 image

  • 低通滤波器

    • 简单看成分压电路

    • 转移函数 image
    • 滤波器输出 image
    • 截止频率点 image

  • 高通滤波器

    • 转移函数 image
    • 电压传输函数 image
  • 多级滤波器 image

  • 带通滤波器：选取适当的值，使得某一频带能通过该滤波器，而所有其上和在其下的频率都被阻塞

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  • 品质因素Q

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变压器

• 法拉第定律：变化的磁场产生变化的电场，它将在邻近的导线中生产感生电流 #定律

• 耦合效率-铁芯

• 电流和阻抗比

• 绕组的性质：楞次定律#定律

  • 任何感生电流会沿与最初引起他的电流相反的方向流动

差分电流#电流

• 差分电路：驱动器和接收器之间有载有互补信号（大小相等，方向相反的信号）的一对导线。感兴趣的信号是这两个互补信号的差

• 差模，共模（奇模，偶模） image

  • 差模id

  • 共模ic

  • 模式转换

    • 共模脉冲的产生

    • 编织效应

半导体#半导体

• 半导体二极管PN结

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• BJT

• MOS

• MOSFET,压控器件，栅极没有电流流过。 image

电压源和电流源

• 恒压源，电压不依赖于负载，不管引出多少电流，电压保持常数；理想电压源（类似家庭插座），短路时电流无穷大。

• 恒流源，不管如何改变负载，电流都保持不变；理想电流源（类似汽车电池），开路时，电压无穷大；

• 等效电路

  • 戴维南定律：任何两端口网络的线性电路，可以用一个理想的电压源和一个串联的电阻来替代

  • 诺顿定理：任何两端口网络的线性电路，可以用一个理想的电流源和一个并联电阻来替代

电路板上的电流#电流
电流沿最小阻抗路径运动

• 信号电流

• 电源电流

  • 地层：参考层或返回层

• 返回电流

• 电流这样流动：

  • 如果有两个并联导体，沿一个导体流动的电流A将耦合进另一个B，法拉第定律

  • 耦合电流将在与初始电流相反的方向上流动，楞次定律（对着干定律）

  • 如果返回电流已经在导体B上，这一来自A的耦合电流趋向于增强返回电流

• 冷却机制：传导、对流、辐射

  • 内部走线和外部走线冷却的一样快，电路板材料的热传导几乎和电路板表面辐射一样；
• 电流和走线温度的关系 image
• 熔断电流 image

• 电流反射
  沿任何导体传输的任何信号将在导体远端反射回驱动器

• 临界长度

  • 走线的往返传输时间等于上升时间

  • 频率和上升时间之间的关系

• 传输线

辐射-EMI-串扰

• 辐射电阻：是等效或虚拟的电阻，作为辐射的结果而在电路中出现

• 天线

电流和过孔#电流

• 过孔处的功耗

• 过孔自身的信号反射

电流和SI #电流

眼图：点概念