今天我們就一起來看看電感。要理解電感，一定離不開電磁場，今天的我們有幸站在巨人的肩膀上看世界，能夠相對直觀的了解電磁場的形成與變化。

電場的場源電荷的庫侖力疊加成電場力，電場力驅動電荷定向移動形成電流。電流通過導線A時，導線A周圍會產生磁力線圈構成磁場。當電流發生變化，導線A周圍的磁場也隨之變化，因此導線A上會形成感應電動勢。感應電動勢形成感應電流，感應電流產生的磁場將抵消原電流產生磁場的變化，即阻止原電流的變化。導線A周圍的導線B也會受到變化磁場的影響，導線B感受到變化磁場從而產生感應電動勢形成感應電流，導線B上的感應電流產生的磁場將抵消導線A原電流產生磁場的變化，即阻止導線A原電流的變化。

要理解電感，首先得知道電感的分類。使用正確的限定詞，除了有助于自己理解記憶電感，更可以避免誤用術語引起誤會。

1. 流過單位安培電流時，環繞在導體周圍的磁力線匝數稱為電感。

2. 當單位安培電流通過導體時，環繞在該導體周圍的磁力線匝數，稱為導線的自感。導線的自感與其他導線的電流無關，且自身電流產生的磁力線匝數不變。

3. 導體通過單位安培電流時，一部分磁力線圈會環繞在另一導體周圍。這部分磁力線圈匝數就是互感。且互感是相互的，我的一部分磁力線圈環繞在你周圍，你也有相同數量的磁力線圈也會環繞在我周圍。互感的大小受兩導線間距的影響，兩導線的距離靠近，互感增加，反之減小。

4. 自感加上互感的影響，其結果就是有效電感。電流方向不同，互感的影響也是不一樣的。

如果相鄰的A/B兩導體內電流方向相同。

有效電感=互感+自感 即

如果相鄰的A/B兩導體內電流方向相反。

有效電感=互感-自感 即

信號在傳輸線上本質是一種交變電磁場，由于線間的互感，磁場變化時會在另一根導線上產生感應電壓。感性耦合產生的感應電壓與容性耦合產生的感應電流共同構成是串擾。因為感應電壓和感應電流的大小都受導體間距和電壓變化速度影響。所以影響串擾大小的主要因素是導線的間距和信號頻率。所以為了保證系統的高速運行，通過增加兩傳輸線的間距，減小傳輸線間的互感和互容，從而減小串擾。在實際項目中，傳輸線間距多少才合適呢？（下記是串擾示意圖）

傳輸線中有電流通過時，電磁場能量分布類似正態分布，約70%地能量集中在導線周圍3H范圍內。如果兩導線距離大于3H，兩導線之間的互感會急劇下降，能有效降低的串擾量。這就是PCB設計工程師3H/W經驗法則的由來。根據經驗法則，兩線間距3W情況下，近端串擾約在1.9%，遠端串擾約-2.2%（僅微帶線，帶狀線幾乎沒有遠端串擾，這也是我們建議高速傳輸線在內層布線的原因）。H是指走線到參考層的高度，因為常用50歐姆阻抗線線寬W接近H，為了量化通常用W表述，實際設計中W通常都大于H。另外減小H能加強與GND平面的耦合，使能量集中在更小的范圍，相同間距下串擾更小。由于H減小，阻抗線線寬也會減小，不需要額外空間就增加了間距，再次減少串擾。這個技能你get到了嗎？（下記是3W經驗法則的示意圖）

高速鏈路中我們通常使用均勻傳輸線以保證阻抗連續性，使信號在傳輸過程中沒有反射。

如果在傳輸線中途有感性突變，信號會受到怎樣的影響？小陳自己腦補了一波：由于傳輸線中有額外的L，根據阻抗公式

瞬態阻抗變大，信號在此發生反射。那我要怎么改善呢？小陳又腦洞了一波：既然你增加了電感，那我兵來將擋，水來土掩。通過在電感突變的地方進行容性補償，增加電容使阻抗再次平衡，消除反射。真實情況會是我想的這樣嗎？ 我們來驗證一下。

我用軟件搭建一個50歐姆阻抗的傳輸線鏈路，并進行了端接，激勵源是頻率為1GHz，源電壓是2V。通過分壓，加載到傳輸線上的電壓是1V，在末端全反射時瞬態電壓是2V。模擬傳輸線中途有感性突變時，觀察信號傳輸到末端時的波形。并嘗試通過容性補償，觀察能否消除感性突變的影響。

感性突變8nH時： 補償電容計算：C=L/（Z平方） C=8/50*50=3.2pf 為了更好的補償效果，分成2個1.6pf并聯。

容性補償前的信號波形圖：

通過信號仿真波形可以看到，由于傳輸線中途有8nH的感性突變，反射使信號產生過沖，過沖幅度約是300mV。

容性補償后信號波形圖：

通過信號仿真波形可以看到，基本消除了信號過沖，只有一些幾十mV的毛刺。通過局部電容補償， 提升局部的電容，根據阻抗公式，容性上升，阻抗下降，從而抵消高電感對阻抗的影響，是阻抗達到平衡，消除或改善反射，信號過沖消失。在實際設計中增加容性的方式不一定是放置電容器，加寬線寬（增大兩極板耦合面積）、減小到參考層間距（減小兩極板距離），更高的介電常數的材料，這些方法都能提升走線的單位長度電容，降低阻抗。優化方案都來自于電容系列我們了解過的影響電容量三要素。

而電感器是具電感性的裝置，通常是導磁體芯上纏繞線圈構成。它有通直流阻交流的特性。電感阻礙電流的變化，因此電感上的電流不會發生突變。根據這一特性，電感器在電路中對交流信號進行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。關于電感器應用我們只做一個了解，更多的是基于電感的基本原理，分析高速傳輸鏈路中的寄生電感對信號的影響。

編輯：hfy