一、什么是阻抗？

具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用 Z 表示，阻抗的国际单位是欧姆（Ω）。

阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加，他们是具有大小和方向的矢量和。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。

阻抗是一个复数，电阻与电抗的总合，实部位电阻，虚部为电抗，用数学形式表示为：

其中Z为阻抗，单位为欧姆，R为电阻，单位为欧姆，X为电抗，单位为欧姆，j是虚数单位。

当X>0时，称为感性电抗；当X=0时，阻抗为纯电阻；当X<0时，称为容性电抗。

一般应用中，只需知道阻抗的强度即可：

阻抗Z= R+j ( XL –XC) 。

其中R为电阻，XL为感抗，XC为容抗。 

对电阻R为0的理想纯感抗或容抗元件，阻抗强度就是电抗的大小。

如果( XL–XC) > 0，称为“感性负载”；反之，如果( XL –XC) < 0称为“容性负载”。

1.1、电阻：

    任何物质都具有电阻，只是电阻的大小不同，阻碍电流的能力不同而已，绝缘体阻碍电流的能力最强，因此我们用绝缘体来隔绝导体，起到保护触电的作用，而超导体的电阻几乎为零。

电阻通常用字母R来表示。电阻是导体本身的一种特性，它的大小只跟自身因素有关系，与外部因素没有关系，或者说一个电阻做好以后，它的阻值就已经固定下来了，不会随外界因素的影响而改变，这就是电阻定律，用公式表示如下：

R=ρL/S

ρ——制成电阻的材料电阻率，国际单位为欧姆 · 米（Ω · m) ；

L——绕制成电阻的导线长度，国际单位为米（m)；

S——绕制成电阻的导线横截面积，国际单位为平方米（m²） ；

R——电阻值，国际单位为欧姆，简称欧（Ω）。

电阻在交流电路和直流电路中的阻值都是一样的，不会随电源频率的变化而变化。

1.2、感抗：

在交流电路中，电感线圈对电流的阻碍作用就是感抗。感抗的大小用公式表示如下：

感抗计算公式：

XL = ωL = 2 π f L ，ω=2πf；

感抗 = 2 × π × 频率 × 电感值

 omh                  Hz          H

XL就是感抗，国际单位为欧姆 （Ω）；ω 是交流电的角频率，国际单位为弧度/秒（rad/s）；

f 是交流电的频率，国际单位为赫兹（Hz） ；L 是电感线圈的电感量，国际单位为亨利（H）。

显然，感抗的大小不仅与自身因素（L）有关系，还与外部施加的交流电的角频率（ω）或频率（f）有关系。

电感线圈的电感量L越大则感抗XL越大;交流电的角频率ω或频率f越高，感抗XL也相应变大，这就是电感线圈具有通低频阻高频的特性。

直流电的频率我们可以认为为零，因此感抗也为零，对直流电没有阻碍作用，这就是电感线圈具有通直流阻交流的特性。

1.3、容抗：

在交流电路中，电容器对电流的阻碍作用就是容抗。容抗的大小用公式表示如下：

容抗计算公式：

Xc = 1/（ωC） = 1 / ( 2 π f C )，ω=2πf；

容抗 =1 / （2 × π × 频率 × 容值）

 omh                         Hz        F

Xc就是容抗，国际单位为欧姆 （Ω）；ω 是交流电的角频率，国际单位为弧度/秒（rad/s）；

f 是交流电的频率，国际单位为赫兹（Hz） ；C是电容器的电容量，国际单位为法拉（F）。

显然，容抗的大小不仅与自身因素（C）有关系，还与外部施加的交流电的角频率（ω）或频率（f）有关系。

电容器的电容量C越大则容抗XC越小。交流电的角频率ω或频率f越高，容抗XC越小，对交流电的阻碍作用越小，这就是电容器具有通高频阻低频的特性。

直流电的频率我们可以认为为零，因此容抗为无穷大，对直流电的阻碍作用也是无穷大，这就是电容器具有隔直流通交流的特性。

1.4在电阻、电感、电容并联电路中，1/R总=1/R+1/XL+1/XC

1.4.1、感性负载：

（1）、感性负载是指带有电感参数的负载。确切讲，应该是负载电流滞后负载电压一个相位差特性的为感性负载，如变压器，电动机等。另外一种是指有些设备在消耗有功功率时还会消耗无功功率，并且有线圈负载的电路，叫感性负载。

（2）、可通俗的说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等。也可理解为在电路中带线圈的用电设备，其线圈部分即为感性负载。

（3）、这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。

（4）、扩展：在电网中，大部分电力设备是感性负载。感性负载工作时，由于自身感抗原因，电流滞后电压90°。因为这个原因造成电能利用率低，这时为了提高电能利用率，会在电路中加功率因数补偿设备，好比为什么配电箱还得专门配一个电容柜。是因为利用电容的电流超前电压90°的特性（与电感相反）与电感做互补，以使电路电压与电流相位不至于差太多。

（5）、电压电流关系：u=dψ(t) /dt

1.4.2、容性负载：

（1）、容性负载一般是指带电容参数的负载，即符合电流超前电压特性的负载。容性负载充放电时，电压不能突变，其对应的功率因数为负值，对应的感性负载的功率因数为正值。

（2）、我们生活中大部分是感性负载和阻性负载，或者两者混合；容性负载比较少见，一般只有一些工厂才有，比如：电镀厂就需要大量电容。常见的容性负载有：电容器、功率补偿柜等。

（3）、电压电流关系：i=C(du/dt)。

1.4.3、阻性负载：

（1）、阻性负载指的是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载。即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性（如负载为白炽灯、电炉等）。

（2）、电阻负载在做功时也会有有电感、电容性负载存在。例如：导线间会存在线路间的电容，导线间和对地间存在电感，期间感性负载通常大于容性负载。**电阻电容在做功时也会发热，即阻性做功；电感亦如此。元件的阻抗是频率的函数。在全频率范围内纯电阻电路、纯电容电路、纯电感电路是不存在的。 理论上只有可能存在某一个频率，实际中做不到。

（3）、对于灯具来讲，靠气体导通发光的灯具就是感性负载，靠电阻丝发光的属于阻性负载。感性负载如：日光灯、高压钠灯、汞灯、金属卤化物灯等。阻性负载如：碘钨灯、白炽灯、电阻炉、烤箱、电热水器等。

（4）、电压电流关系：U=RI。

1.4.4、几种负载在直流电路中的特点是：

电阻性负载：电流电压的关系符合基本欧母定律,I = U/ R  。
感性负载：允许电流流过，但电流滞后于电压，可储能于电感。
容性负载：阻止电流流过,也可储能于电容。

1.4.5、几种负载在交流电路中的特点是：

电阻性负载：电流电压的相位相同。

感性负载：电流滞后于电压。
容性负载：电流超前于电压。

感性负载就是工作时电压相位超前于电流相位，纯感性的话电压相位超前电流相位90度。

纯容性负载就是工作时电压相位滞后于电流相位，纯容性负载的话电压相位滞后于电流相位90度。

二、阻抗匹配

其中微带线模型可以理解为走在顶层和底层的信号线，由于表面覆盖了绿油，所以称为微带线。带状线可以理解为走在内层的信号线，表面无凸起。

2.1、什么是阻抗匹配？

阻抗匹配是确保信号在传输过程中能量高效传输、避免反射和失真的核心技术。它是高速数字设计、射频（RF）和微波工程的基础。

当一个信号从 信号源 → 传输线 → 负载 传输时，如果三者阻抗不一样，信号就会产生反射。阻抗匹配的意思就是让信号源阻抗、传输线阻抗、负载阻抗尽可能一致，这样信号可以最大限度无反射地传输。

举个例子，想象你用水管输水：

• 水管粗细一致 → 水流顺畅
• 中间突然变粗或变细 → 会产生涡流（在电信号中就是“反射”）

2.2、为什么要阻抗匹配

1. 根本问题：阻抗不连续导致信号反射
当信号在传输线中传播时，如果遇到阻抗发生变化的地方（例如：从芯片驱动端到PCB走线、从走线到连接器、或从走线到接收端），一部分信号能量会被反射回去，与原始信号叠加，造成：

• 信号完整性恶化：过冲、下冲、振铃。

• 时序问题：上升/下降沿畸变，可能导致建立/保持时间违规。

• 功率传输效率下降：能量无法全部传递给负载，在射频中尤为关键。

• 电磁干扰：反射能量可能辐射出去，导致EMI问题。

例如：

2. 匹配的终极目标

• 信号完整性角度：消除或最小化反射，保证信号波形干净。

• 功率传输角度（射频）：实现从源到负载的最大功率传输。

3. 关键参数

• 特征阻抗（Z₀）：传输线本身的固有属性，由 单位长度电感（L）和电容（C） 决定，公式为 Z0=L/CZ0​=L/C​。在PCB中，Z₀ 由 线宽（W）、介质厚度（H）、介电常数（εᵣ）和铜厚 共同决定。

• 源阻抗（Zₛ）：信号驱动器的输出阻抗。

• 负载阻抗（Zʟ）：信号接收器的输入阻抗。

2.2、匹配的核心条件

理想匹配的条件是：源阻抗、传输线特征阻抗、负载阻抗三者相等。

ZS=Z0=ZL

此时，信号从源端出发，沿着传输线传播，到达负载时被完全吸收，无反射。

三、PCB设计中的阻抗控制实战

1. 前期计算与叠层规划

• 使用 Polar SI9000 或JLC阻抗计算工具。

• 输入参数：

  • 确定接口要求，确认每种信号是单端还是差分，以及目标阻抗（如50Ω单端， 100Ω差分）。

  • 确定叠层工艺、PCB叠层结构（各层厚度、介质材料εᵣ）。

  • 铜厚（1oz=35μm）。

  • 阻焊层厚度和εᵣ（通常有微小影响）。

• 输出：在压层工艺下计算为达到目标阻抗所需的走线宽度（W）和间距（S， 针对差分对）。

• 关键：将计算结果作为约束规则输入到PCB设计软件，在PCB工具中设置规则（如Altium， Cadence）中。

2. 布局布线黄金法则

• 保持连续性：从驱动端焊盘到接收端焊盘，整个路径上的阻抗应尽可能恒定。

• 参考平面：高速信号线下必须有完整、无分割的参考平面（GND或电源平面）。严禁跨分割。

• 减少过孔：过孔是阻抗不连续的主要来源。必要时应使用背钻孔、优化过孔残桩。

• 线宽一致：走线全程保持计算所得的宽度，避免突然变细或变粗。

• 拐角处理：使用 45°斜角或圆弧拐角，避免90°直角。

• 元器件布局：匹配电阻（如串联电阻）必须紧靠驱动端放置，回路面积最小化。

3. 与板厂沟通

• 必须提供 “阻抗控制要求表” ，明确：

  • 哪些层、哪些网络需要控制阻抗。

  • 目标值及公差（通常±10%）。

  • 测试线（Coupon）的要求。

• 板厂会根据其实际生产能力和材料特性，微调你的设计线宽，并反馈最终叠层结构。

3.1、确定接口需求

例如项目板卡上需要考虑阻抗的线有以下几种：

应用领域	标准阻抗	说明
通用高速数字信号	50Ω 单端	最广泛的标准。源于早期同轴电缆的功率容量与损耗的平衡，现已成为PCB单端走线的默认值。
差分数字信号	100Ω 差分	以太网（10/100/1000BASE-T）、HDMI、LVDS等绝大多数差分接口的标准。
	90Ω 差分	常用于DDR内存接口（DDR2/3/4）、USB
射频及高速串行	50Ω	RF端口、SMA连接器、PCIe、SATA、SAS等高速串行链路。
视频（传统）	75Ω	视频同轴电缆（如CVBS）的标准。某些高速差分对（如DisplayPort）也可能使用。
背板通信	85Ω 差分	某些专有背板标准。

• SDIO信号线：单端50ohm ±10%
• MIPI信号线：单端50ohm ±10%、差分100ohm ±10%
• USB信号线：差分90ohm ±10%
• WiFi天线：单端50ohm ±10%

3.2、确定压层工艺

嘉立创压层结构：https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceDefaultTemplate

可以看到，PCB 压层结构，就是每一层铜箔和绝缘介质的排列方式及厚度组合。这里选择JLC04161H-3313，很大一方面是因为该结构是免费的。

3.3、计算走线参数

确定好压层工艺后，就要基于上面所选的压层工艺开始计算走线参数。这里需要用到嘉立创阻抗计算器。

常规的阻抗线主要分别以上四种，其中常用的就是单端阻抗和差分阻抗；共面单端和共面差分可以理解为单端和差分信号做了包地处理。共面阻抗具有较高的频率特性，能够在高频信号传输中保持较好的性能，共面阻抗广泛应用于高频电路、微波电路以及射频识别(RFID)等领域，用于确保高速、高频信号的稳定传输和减少信号损耗。

根据第一步确定的接口需求，我们最终需要的阻抗有：单端50ohm，差分90ohm，差分100ohm。

3.4、PCB工具中设置规则

3.5、应用规则

以SDIO信号线为例，使用单端50ohm规则：

如果是差分对，需要先设置差分对，再应用规则：