技术资讯 I 一文了解负阻抗转换器

核心要点

负阻抗变换器（NIC）是一种能在输入端模拟负阻抗的电路。

负阻抗变换器应用广泛，涵盖模拟信号处理和控制系统等领域，可用于稳定或调整电路的输入阻抗。

在将负阻抗变换器集成到印刷电路板（PCB）时，必须深入理解阻抗匹配和 PCB 设计原理，以达到预期效果。

负阻抗变换器可匹配麦克风、扬声器和音频源的阻抗，从而最大限度地减少信号失真。

负阻抗变换器（NIC）是一种能在输入端模拟负阻抗的电路。与具有正阻抗的典型无源元件不同，负阻抗变换器所构建的电路元件看似具有负阻抗。

负阻抗变换器应用于多个领域，包括模拟信号处理和控制系统，用于稳定或改变电路的输入阻抗。通过引入 “负” 阻抗，负阻抗变换器可以抵消或补偿另一个元件的阻抗，从而获得所需的整体输入阻抗，这在需要阻抗匹配或负载抵消时非常有用。

负阻抗变换器可采用运算放大器、晶体管或其他有源元件等电子元件设计而成。它们并非真正的负电阻或负电感，而是通过电路设计产生等效效果。

负阻抗变换器的常见应用

天线匹配：匹配天线与发射机或接收机的阻抗，确保高效的功率传输。

放大器稳定性：稳定高增益放大器的输入阻抗，防止振荡或其他不稳定问题。

传感器接口：为输出阻抗变化的传感器提供稳定负载，确保信号处理的准确性。

阻抗匹配：匹配两个元件或电路的阻抗，以确保高效的功率传输、减少信号损失并最大限度地减少反射。

可变增益控制：控制放大器或衰减器的增益，实现信号幅度的动态调整。

电机控制：调整电机的阻抗，以便更好地控制电机的运行状态和性能。

声学系统：匹配麦克风、扬声器和音频源的阻抗，确保高效的信号传输并最大限度地减少信号失真。

有源滤波器：用于有源滤波器设计，以获得特定的频率响应，这在音频信号处理等应用中很有用。

复杂阻抗模拟：模拟无源元件难以实现的复杂阻抗值，使电路设计更具灵活性。

波形整形：在波形生成和调制中对输出波形进行整形，以满足特定的阻抗要求，确保信号的正确传输。

电路补偿：补偿电路中元件的寄生阻抗效应，提高系统的整体性能和稳定性。

反馈网络：调节运算放大器或其他元件的输入阻抗，这对控制系统和滤波器有益。

01

将负阻抗变换器集成到 PCB 设计中

将负阻抗变换器电路集成到 PCB 设计中，对整体布局和元件放置有显著影响。负阻抗变换器电路可能需要电阻器和电容器等无源元件，必须精心放置这些元件以优化阻抗转换。负阻抗变换器及其相关元件的放置应具有策略性，以缩短信号路径长度并减少干扰。

适当的接地和电源平面设计可能也是必要的，以确保干净稳定的电源分配，特别是在高频应用中。精心的布线对信号完整性至关重要，需要进行全面测试以验证阻抗变换，因此在 PCB 布局和设计中，负阻抗变换器是一个必须考虑的因素。

以下是设计负阻抗变换器并将其集成到 PCB 设计中的基本步骤：

01

设计负阻抗变换器电路：

为你的应用选择合适的电路拓扑。最常见的负阻抗变换器电路使用运算放大器和无源元件。

确定所需的负阻抗值，以匹配负载阻抗或实现所需的阻抗变换。

根据所需的阻抗转换和电路拓扑，计算元件值，包括电阻器和电容器。

02

原理图设计：

使用 PCB 设计软件创建负阻抗变换器电路的原理图。

确保连接正确，并为元件适当标注。

03

PCB 布局：

将原理图设计转换为 PCB 布局。

在 PCB 上放置元件，考虑放置、布线和信号完整性等因素。

尽量缩短迹线长度，使迹线尽可能短且直接。

注意元件方向，并确保元件封装有适当的间距。

添加接地和电源平面，以减少噪声并确保稳定的电源分配。

04

元件选择：

为你的设计选择合适的元件，包括运算放大器、电阻器和电容器。

考虑容差、温度稳定性和电压额定值等因素。

05

布线：

精心布线，保持信号路径短并减少干扰。

遵循信号完整性的最佳实践，如避免尖角、使用接地和电源平面以及管理高速信号迹线。

06

电源分配：

确保为你的负阻抗变换器电路提供稳定且干净的电源分配。

使用适当的去耦电容器滤除高频噪声并保持稳定的电源轨。

07

测试与调试：

在将 PCB 设计送去制造之前，在面包板或原型板上测试负阻抗变换器电路，确保其按预期工作。

使用网络分析仪或阻抗电桥验证阻抗变换。

08

制造与组装：

一旦对电路性能满意，将 PCB 设计文件送去制造。

采购元件并组装 PCB。

09

测试与调谐：

组装后测试 PCB，确保其按预期工作。

如有必要，调整元件值以实现所需的阻抗转换。

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文档编制：

为你的负阻抗变换器电路创建详尽的文档，包括原理图、PCB 布局、材料清单以及设计说明或注意事项。

02

Cadence 拥有你所需的工具

在设计负阻抗变换器并将其集成到 PCB 中时，深入理解阻抗匹配和 PCB 设计原理以达到预期效果至关重要。此外，在进行 PCB 制造之前，考虑使用工具来模拟和验证电路性能。Cadence 的 PCB 设计和分析软件工具，特别是其 Allegro X Design Platform，可以帮助你更好的完成 PCB 设计任务。