集总元件和分布元件描述

产品的设计中，研发选用很多无源器件，其中最为常用三大件：电阻、电容、电感。相对于分布元件（传输线），集总元件（电阻、电容、电感）是基于空间的点来做分析，信号完整性中的互连模型都是基于集总元件和分布元件来加以描述。  

集总元件在硬件工程师看来，他们关注于其电气参数：电阻器（额定功率，负荷特性，温度系数等），电容器（额定电压，耐压值，频率特性等），电感器（额定电流，品质因数等）。

我们更关注于其对信号链路的影响，额外寄生参数（寄生电阻，寄生电容，寄生电感）的影响，也就是仿真中的参数提取。同时关注其能量损耗（电能变为热能，电磁能变为热能等），对应协议中相关损耗标准。

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电阻

导体对电流阻碍作用的大小。

电阻（Resistor，通常用“R”表示）是一个物理量，电阻是导体本身的一种性质。不同的导体，电阻一般不同，因为导体的电阻随长度、截面大小、温度和导体成分的不同而改变。所以，电阻没有一个固定值。电阻的单位是欧姆，符号为Ω。

体电阻率：

不同于电阻会随着物理尺寸（长度，宽度等）而改变，体电阻率与其无关。

体电阻率是一种材料特性，材料不同，体电阻率也不同。

体电阻率和电导率互为倒数。

电阻作用是分压和分流，是基于欧姆定律：

集总元件的电阻，将版图设计中的走线（铜）两点之间看成一个电阻，假设这段走线的横截面恒定，近似公式：

02

电容

两个导体，中间夹一层绝缘介质（包括空气），给定一定电压下的自由电荷量。

电容（Capacitance，通常用“C”表示）表示容纳电荷多少的物理量。电容量的大小和几何结构以及周边介质的材料属性有关。

电容的基本公式：

需要注意的是：电压值增大，异性相吸的规则，电荷量也会增大，所以比值一般保持不变。

我们更多关注电容公式，如下：

实际的版设计中，电容功能的充放电关注比较少。更多关注的是：PCB像平行电容，信号在铜线中流过，电流的变化，特别是交流信号，随着频率的不同，引起的串扰和信号完整性相关的问题。

需要注意的是，因为中间的绝缘介质，引出了“位移电流”的概念，这个不同于传导电流。

电容除了电源储能，信号滤波等作用。电源的轨道塌陷的解决之道，便是在电源和地之间多加去耦电容，降低PDN的阻抗，来保证电源压降的需求。

03

电感

流过单位安培电流时，环绕在导体周围的磁力线匝数。

当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。

电感（Inductor，通常用“L”表示），闭合回路的一种属性，即周围环形磁力线圈。

电感的电流发生变化，电感两端就会产生电压，也称之为感应电动势，该电压产生的感应电流会阻碍原电流的变化。

这个由电流变化产生的感应电压是我们需要避免的，它产生大多数电磁干扰源（串扰，地弹等）。

自感和互感

一个导体流过单位电流，产生自身的磁力线圈匝数，是自感。

产生在别的导体周围的磁力线圈匝数，是互感。

04

实际应用

在实际过程中，集总元件本身不需要太多关注，更多关注于寄生电阻，寄生电容，寄生电感等。

器件的引脚，亦或是焊锡丝的影响（体电阻率：铜是1.58，锡是10.1）等所引起的阻抗突变，在版图设计中的处理，更多是对焊盘的优化。

焊盘面积比走线大，面积增大，电容变大，阻抗变小。焊盘下方挖空，距离变大，电容变小，阻抗变大。通过这样的处理，来抑制阻抗的突变，降低反射，尽量保证阻抗匹配。

版图设计中，8Gbps以上速率的信号过孔，就是加大焊盘到铜皮的间距，来改变寄生电容的大小，同时尽量保持过孔寄生电感，来管控过孔阻抗。

当然，过孔的残桩也是需要考虑的主要因素，这里就不做展开了。

版图设计中，设计指导也会提出HSD（高速信号差分线）走线路径尽量远离电感，距离上每个产品会有不同的要求。很多产品都是15mils起。

特别是开关电源的输入，输出电感区域，是禁布区域。

很多设计规则都是考虑其信号完整性，设计规则就是规避这些风险，规则的优化和判定正是信号完整性工程师职责所在。所以信号完整性工程不仅仅是仿真工程师，更是产品的PCB板级信号质量的优化工程师。

审核编辑：刘清