信号完整性系列讲座之一：电感讲解
电感专题知识讲座
产生与压力P大小成正比
旳位移，于是衔铁也发生
移动， 从而使气隙发生变
化， 流过线圈旳电流也发
膜 盒 生相应旳变化，电流表A
旳指示值就反应了被测压
力旳大小。
P
图5-9 变隙电感式压力传感器构造图
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第5章 电感式传感器
C形 弹 簧 管
线圈1
输出
调机械 零点螺 钉
线圈2 衔铁
P
～
图5-10 变隙式差动电感压力传感器
差动变压器旳构造示意图见图5-11(a)、(b)。在非电量测量中，
应用最多旳是螺线管式差动变压器， 它能够测量1～100mm
机械位移。
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第5章 电感式传感器 5.2.1 1. 工作原理
• 工作原理 • 基本特征
假设闭磁路变隙式差动变压器旳构造如图5-11（a）所示，
在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1旳两个初级绕组和
第5章 电感式传感器
第5章 电感式传感器
5.1 变磁阻式传感器 5.2 差动变压器式传感器 5.3 电涡流式传感器
1
第5章 电感式传感器
5.1 变磁阻式传感器
5.1.1 工作原理 变磁阻式传感器旳构造如图5-1所示。它由线圈、铁芯和衔
铁三部分构成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成， 在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器旳运动部分与 衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生变化，引起磁路中磁 阻变化，从而造成电感线圈旳电感值变化，所以只要能测出这种 电感量旳变化，就能拟定衔铁位移量旳大小和方向。
L L0
L L0 1
0
0
2
0
3
（5-9）
由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0旳体现式，即
电子电路信号完整性及影响因素.ppt
• 1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity） • 1-2 频率与时间 • 1-3 时间与距离 • 1-4 集总系统与分布系统 • 1-5 -3dB频率与上升时间 • 1-6 四种电抗 • 1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件
2020/11/3
1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）
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1-2 频率与时间
• 电路元件的参数对频率敏感，在不同的频率 范围内会表现出来不同的特性。任何一种电 参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。
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考虑两个极端情况：
1. 一个频率为10 -12的正弦波 波形变化一个周期需要3万年；若输入到TTL电
路，其输出电压每天变化不到1mV (1年＝ 3.15×107秒)。任何一个包含这样低频率的半导 体器件的试验都会以失败而告终。 2. 一个频率为10 12的正弦波
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• 时序偏差：时序信号的理想“沿变”和实际 上的“沿变” 之差。
• 在实际系统中，造成时序信号的“沿变”与 理想“沿变”存在差别的一个主要原因是逻 辑器件的信号传输延迟时间上存在着差别。 因此，人们也常直观地将时序偏差定义为器 件输出时序信号的传输延迟之差。
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• 两类时序偏差：从更广义的角度出发，由于器件之间 连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引 起时序信号的实际“沿变”与理想的“沿变”不同。 可以分为两类。
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• 下冲（Undershoot）:又称反冲。指信号在过冲 后，又沿着跳变方向的反方向，信号波形越过稳 定的“1”或“0”状态电平的部分。对于上升沿 ，即：从“0”到“1”的跳变，信号上冲后，反 过来又低于逻辑电平“1”的稳定电压值的部分。 对于下降沿，即：从“1”到“0”的跳变，信号 过冲后，反过来又高于逻辑电平“0”的电压稳定 值的部分。
信号完整性系列讲座之一：电感共35页
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
专家教你如何透彻理解电感
一、电感器的定义。
1.1 电感的定义：电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。
当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化；可是当在线圈中通过交流电流时，其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。
根据法拉弟电磁感应定律－磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个“新电源”。
当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。
由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。
由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化，故从客观效果看，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。
电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性，在电学上取名为“自感应”，通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间，会发生火花，这就是自感现象产生很高的感应电势所造成的。
总之，当电感线圈接到交流电源上时，线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着，致使线圈不断产生电磁感应。
这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势，称为“自感电动势”。
由此可见，电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。
1.2 电感线圈与变压器电感线圈：导线中有电流时，其周围即建立磁场。
通常我们把导线绕成线圈，以增强线圈内部的磁场。
电感线圈就是据此把导线（漆包线、纱包或裸导线）一圈靠一圈（导线间彼此互相绝缘）地绕在绝缘管（绝缘体、铁芯或磁芯）上制成的。
一般情况，电感线圈只有一个绕组。
变压器：电感线圈中流过变化的电流时，不但在自身两端产生感应电压，而且能使附近的线圈中产生感应电压，这一现象叫互感。
两个彼此不连接但又靠近，相互间存在电磁感应的线圈一般叫变压器。
1.3电感的符号与单位电感符号：L电感单位：亨(H)、毫亨(mH)、微亨(uH)，1H=103mH=106uH。
电感量的标称：直标式、色环标式、无标式电感方向性：无方向检查电感好坏方法：用电感测量仪测量其电感量；用万用表测量其通断，理想的电感电阻很小，近乎为零。
信号完整性系列讲座之一：电感讲解
趋肤效应
高频时，信号只在导体的表面很薄的一层 流动。
趋肤效应引起：电流流过的横截面积很薄， 所以导线阻抗变大。信号频率越高，在导 线上传输时，衰减越大。
颜色越淡，电流密度越大
10 信号路径
信号存在于一个回路中。信号传输路径由 信号路径和返回路径构成。
下图中的GND、VCC_5V都可以是返回路径
路为基础，研究数字电路的模拟特性。主要包含 两个方面：信号的幅度(电压)和信号时序。
与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源：
1、单一网络的信号质量
2、多网络间的串扰
3、电源与地分配中的轨道塌陷
4、来自整个系统的电磁干扰和辐射
4.本讲座讨论范围
本讲座主要讲解了：影响信号完整性的一 个因素—电感以及与信号完整性有关的理 论知识、在电路板设计中需要注意的事项
电流的周围。对于1段直导线，如图所示：
若导线中电流流过，那么在导线周围将产 生同心的环形磁力线圈。自上而下，导线 周围都存在磁力线圈。距离电流表面越远， 所遇到的磁力线圈数就越少。如果距离电 流表面足够远，则磁力线圈数将非常少。
（2）如何衡量磁力线圈的多少
以韦伯为单位来计算电流周围的磁力线圈 匝数。
该信号是怎么产生的？
2.研究信号完整性的意义
若在电路板设计时不考虑信号完整性的影 响，逻辑功能正确的电路在调试时往往会 无法正常工作 。
为了电路能够正常工作，在电路设计过程 中需要掌握信号完整性的知识指导电路设 计。
3.信号完整性的研究范围
目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电
（3）影响磁力线圈匝数的多少有哪 些因素？
因素有很多。主要： 1.导体电流的大小。电流增大一倍，电流周围磁
电感_课件
伍尔特，TDK（网站）选型，以下图片中，特性参数随环境变化规律电感1、电感概念：电感是闭合回路的一种属性，是导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。
当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化；可是当在线圈中通过交流电流时，其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。
根据法拉弟电磁感应定律－磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个“新电源”。
当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。
由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。
由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化，故从客观效果看，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。
当电感线圈接到交流电源上时，线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着，致使线圈不断产生电磁感应。
这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势，称为“自感电动势”。
电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。
2、电感器：流过电感器的电流不能突变。
电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。
电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组（两个线头）。
电感器的特性与电容器的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。
直流信号通过线圈时的电阻就是导线本身的电阻压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感器的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。
电感器在电路中经常和电容器一起工作，构成LC滤波器、LC振荡器等。
另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、变压器、继电器等。
通直流：指电感器对直流呈通路关态，如果不计电感线圈的电阻，那么直流电可以“畅通无阻”地通过电感器，对直流而言，线圈本身电阻很对直流的阻碍作用很小，所以在电路分析中往往忽略不计。
什么是信号完整性？你需要了解寄生电感、寄生电阻、寄生电容
什么是信号完整性？你需要了解寄生电感、寄生电阻、寄生电容业界经常流行这么一句话：“有两种设计师，一种是已经遇到了信号完整性问题，另一种是即将遇到信号完整性问题”。
固态硬盘作为一种高集成度的高时钟频率的硬件设备，信号完整性的重要性不言而喻。
借着这句话本文主要跟大家聊下信号完整性的一些基本内容。
什么是信号完整性?通俗来讲，信号在互连线的传输过程中，会受到互连线等因素的相互作用而使得信号发生波形畸变的一种现象，这时可以说信号在传输中被破坏了，变得“不完整”。
信号完整性没有一个唯一的规范定义，从广义上讲，指的是信号在高速产品中由互连线引起的所有问题。
高速数字系统中，信号完整性起着重要作用。
如果信号完整性有问题，可能会造成电路无法正常工作。
影响信号完整性的关键电气特性就是互连线的阻抗，它是解决信号完整性的方法核心。
1. 阻抗电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。
阻抗单位为欧姆，常用Z 表示，表达式是复数:其中实部为电阻和虚部表示电抗(容抗和感抗)。
为什么用复数?电阻代表对信号幅值的衰减，电抗代表对信号相位的改变。
以下分别为电阻，电容，电感部分的阻抗：1.1特性电阻特性电阻是与传输线相关的概念，信号在传输线上的实际传输过程中，会受到传输线上寄生参数(如寄生电感、寄生电阻、寄生电容)的影响，特性阻抗就是综合传输线场景下跟这些寄生参数合成的阻抗。
用下图模型来表示单位长度的传输线：此模型下的阻抗表达式为：在实际的PCB应用中传输线的电阻部分，可以忽略不计，即上式中的R和G为0，PCB传输线特性阻抗的一般表达式：L是单位长度传输线的固有电感，C是单位长度传输线的固有电容传输线阻抗在PCB行业通常将传输线的特性阻抗简称阻抗。
1.2阻抗匹配信号在传输线上传输过程中会受到传输线的阻抗，任何阻抗的突变都会引起信号的反射和失真，过度的反射和失真会引发信号完整性问题。
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。
所以说，阻抗匹配对于一个高速数字系统是十分重要的。
信号完整性分析第一讲
• 周期性加载
图0-1 单个网络的各种互连拓扑情况
图0-2
高速IEEE-1394视频采集系统
0.3 信号完整性分类
信号完整性讨论的主要对象是数字信号，人们 谈的只有数字信号完整性，一般不说模拟信号的 完整性。这是由于数字信号的非理想退化而呈现 的一种模拟效应。主要内因是非常短的数字信号 前后沿(简称前沿)包含大量丰富的高频成分。 按照通常的说法，目前信号完整性研究主要分 为芯片和PCB两个着力点。二者原理上相通、技 术上有别。 SI的分析和测量，有时域和频域两类视点和 途径。
电路图给出元器件及其互连关系。而同一个网络，电属性相 同，其互连拓扑关系可能如下：点到点；星簇 (star cluster)是每
个器件通过长度相等的传输线连接到中心节点上；菊花链 (daisy
chain) 是一条长传输线从每个器件附近经过，器件通过短桩线连 在主传输线上。
• 点到点
• 近、远端簇
• 菊花链
SOP。
各层次真实的互连线有：芯片内各种连线及孔、压焊点、封装 引线、引脚；PCB板的线接头、线条、过孔、接插件；各种连 接电缆。此外，还涵盖各种无源元件；电阻、电容、电感；以 及介质、基板、屏蔽盒、机箱、机架等。而各个层次的器件则 另当别论。把它们看作驱动源和接收器宏模型。
图0-0
五种PCB及系统级中的互连线条形式
在每个转换端口需要10万个以上的晶体管来实现有效的串并并串转换及对抗信号变形失真的预加重有源均衡和传输线中的rc无源均衡技49同层屏蔽线gndddgnd屏蔽层衬底层gnd图012芯片内对抗线间串扰的屏蔽措施剖面说明50图013为了减小电感实际pcb去耦电容过孔的安装情况51去耦电容dd芯片内核gnd图014去耦电容消除地弹仍不如芯片内去耦52图015电缆外加装扼流圈防止emi
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开发五部 徐后乐
1.信号完整性是什么？
信号完整性是指信号在传输路径上的质量， 传输路径可以是普通的金属线，可以是光 学器件，也可以是其他媒质。信号具有良 好的信号完整性是指当在需要的时候，具 有所必需达到的电压电平数值。差的信号 完整性不是由某一单一因素导致的，而是 板级设计中多种因素共同引起的。--来自百 度百科
（4）自感和互感
自感：导线中流过单位安培电流时所产生 的环绕在导线周围的磁力线圈匝数。
互感：一根导线中流过单位安培电流时产 生的环绕在另一根导线周围的磁力线圈匝 数。
互感的经验法则：当两个导线间距大于导 线长度时，两段导线间的局部互感小于任 一段导线局部电感的10%，这时互感可以忽 略不计。
9电流分布和趋肤效应
不仅导线的外部存在磁力线圈，导线的内 部也存在磁力线圈。
导线外部的磁力线圈不会穿过导线，所以 外部的磁力线圈不会随着信号频率变化； 在导Байду номын сангаас内部，越靠近导线中心，磁力线圈 越多，因而电感越大。
信号都是沿着最低阻抗路径传播的。电感 大的电流路径，其阻抗越大。导线中心电 感大，所以其阻抗大，所以信号选择导线 的表面传输。
趋肤效应
高频时，信号只在导体的表面很薄的一层 流动。
趋肤效应引起：电流流过的横截面积很薄， 所以导线阻抗变大。信号频率越高，在导 线上传输时，衰减越大。
颜色越淡，电流密度越大
10 信号路径
信号存在于一个回路中。信号传输路径由 信号路径和返回路径构成。
下图中的GND、VCC_5V都可以是返回路径
例如：当两个过孔（板厚1.6mm,所以过孔的 长度是64mil)中心距大于64mil时，这两个过 孔之间就几乎没有什么耦合了。
8感应电压
当导体周围的磁力线圈匝数变化时，导体 两端将产生感应电压。
感应电压的重要性
感应电压是电感在信号完整性中意义重大 的根本原因。感应电压引起传输线效应、 串扰、开关噪声、轨道塌陷、地弹等
路为基础，研究数字电路的模拟特性。主要包含 两个方面：信号的幅度(电压)和信号时序。
与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源：
1、单一网络的信号质量
2、多网络间的串扰
3、电源与地分配中的轨道塌陷
4、来自整个系统的电磁干扰和辐射
4.本讲座讨论范围
本讲座主要讲解了：影响信号完整性的一 个因素—电感以及与信号完整性有关的理 论知识、在电路板设计中需要注意的事项
（3）影响磁力线圈匝数的多少有哪 些因素？
因素有很多。主要： 1.导体电流的大小。电流增大一倍，电流周围磁
力线圈韦伯数也会增加一倍。 2.导线长度。导线越长，磁力线匝数越多。 3.导线的横截面积。横截面积越大，匝数就会减
少。 4.附近的其他电流也会影响该电流周围的磁力线
圈匝数。 5.铁、钴、镍构成的导线会影响磁力线圈总匝数。
电流的周围。对于1段直导线，如图所示：
若导线中电流流过，那么在导线周围将产 生同心的环形磁力线圈。自上而下，导线 周围都存在磁力线圈。距离电流表面越远， 所遇到的磁力线圈数就越少。如果距离电 流表面足够远，则磁力线圈数将非常少。
（2）如何衡量磁力线圈的多少
以韦伯为单位来计算电流周围的磁力线圈 匝数。
5.听完本讲座可能带来的结果
听完本讲座可能有如下结果： （1）没什么收获。 （2）接受错误的知识。 （3）感觉高速电路设计也不是那么难，如
果有机会自己也能设计出高速电路。
下面正式开始我们的讲座了！！！
6.磁力线圈
（1）磁力线圈是什么？ 答：是一个新的基本实体，它环绕在所有
当b远离a时，互磁力线圈匝数就会减少。
（3）a导线周围的磁力线圈总匝数？
1.a和b电流方向相同：a和b各自的自磁力线 圈的方向相同，则a导线周围的磁力线圈总 匝数=a的自磁力线圈匝数+互磁力线圈匝数
2.a和b电流方向相反：a和b各自的自磁力线 圈的方向相反，则a导线周围的磁力线圈总 匝数=a的自磁力线圈匝数-互磁力线圈匝数
该信号是怎么产生的？
2.研究信号完整性的意义
若在电路板设计时不考虑信号完整性的影 响，逻辑功能正确的电路在调试时往往会 无法正常工作 。
为了电路能够正常工作，在电路设计过程 中需要掌握信号完整性的知识指导电路设 计。
3.信号完整性的研究范围
目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电
信号总是选择最低阻抗的路径传输。
（1）由于趋肤效应，信号在导体的表面传输； （2）返回路径中的电流分布集中在信号路径的下
面。为什么？而且频率越到，电流越集中。
根据上面的两条，我们得出结论： ？
谢谢
（1）地弹
信号总是一个回路，a是信号路径，b是返回 路径（电源平面或者地平面），返回路径 产生的压降成为地弹。
减小地弹的两种方法（1）减小回流电流的 变化。
（2）减小返回路径的总电感。使用短且宽 的平面以减小返回路径的局部自感；将电 流和其返回路径尽量靠近以增大互感。
电源和地过孔的处理
7导体中的电感
（1）导体中的电感是导体上流过单位安培 电流（1A电流）时，导体周围磁力线圈的 韦伯值。
电感（L)=总匝数（N）/电流（I）
导线中的电感和导体的几何结构有关，与 流过的电流大小无关。
（2）自磁力线圈和互磁力线圈
导线a有电流流过，其周围就会有磁力线圈 和电感；导线b有电流流过，导线b产生的 磁力线圈一部分环绕住导线a。所以，对于 导线a,环绕在它周围的磁力线圈一部分由其 自身的电流产生，即自磁力线圈，一部分 由临近的b的电流产生，即互磁力线圈。