《信号完整性》學習筆記——電感（一）

電感影響了幾乎所有的信号完整性問題。

1、電感是什麼？

要回答這個問題，必須先認識什麼是磁力線。

圖1  

如圖1所示，對于一段直導線，若有1A電流從中流過，那麼在導線周圍将産生同心的環形磁力線圈，又稱磁力線匝。

磁力線圈總是完整的環形，而且總是包圍着某一電流。電流周圍一定存在磁力線圈。

影響磁力線匝數的因素主要有以下五個：

一、導體中電流的大小。如果把導體中的電流加倍，則電流周圍的磁力線匝數也會加倍。

二、導線的長度。導線越長，磁力線匝數越多。

三、導線的橫截面。如果增大橫截面，磁力線匝數會略有減少。

四、附近其他電流的存在。如果方向相同，磁力線匝總數增加；如果方向相反，總數将變少。

五、構成導線的金屬。一般為鐵、钴、鎳，稱為鐵磁金屬。

另外，電媒體材料的存在不會影響電流周圍的磁力線匝數。

了解了磁力線之後，下面來回答什麼是電感。

電感是當導體通過機關安培電流時其周圍磁力線匝數的度量。即：L=N/I

其中，L表示電感，機關H，N表示導體周圍的磁力線匝數，機關Wb，I表示導體中的電流，機關A。

影響電感的唯一因素是導體的幾何結構和在鐵磁金屬情況時導體的磁導率。

2、自感和互感

自感是指導線中流過機關安培電流時，所産生的環繞在導線自身周圍的磁力線匝數。通常我們所說的電感實際上是導線的自感。

互感是指一條導線中流過機關安培電流時，所産生的環繞在另一條導線周圍的磁力線匝數。

如果有兩條鄰近的導線，隻在第二條中加電流，則在第一條導線周圍也有一定數量的磁力線圈。不難想象，當把第二條導線遠離第一條導線時，圍繞兩條導線的互磁力線匝數将會減少，反之則會增加。

然而，第一條導線周圍的磁力線匝總數會發生什麼變化呢？

假如兩條導線中都有電流，則它們有各自的自磁力線圈。如果電流方向相同，則自磁力線圈的方向也相同。這時，第一條導線周圍的磁力線匝總數就等于其自磁力線匝數加上互磁力線匝數；如果電流方向相反，則第一條導線周圍的自磁力線圈與互磁力線圈的方向也相反，這時應從自磁力線匝數中減去互磁力線匝數，進而使第一條導線周圍的磁力線匝總數相應地減少了。

導線的自感與其他導線的電流是無關的。

互感有兩個特性：

一、互感具有對稱性；

二、兩條導線之間的互感小于二者中任一個的自感。

3、感應電壓

周圍磁力線匝數改變時，導體兩端産生感應電壓。

該電壓與磁力線匝總數變化的快慢有直接關系。

如果導線中的電流發生變化，則其周圍的自磁力線匝數也将變化，進而在導線兩端産生電壓。結合上面的公式，可以得出，導線兩端所産生的電壓（感應電壓）與導線的電感和導線中電流變化的快慢有關，即

V = △N/△t = △L* I/△t = L* dI/dt

感應電壓正是電感在信号完整性中意義重大的根本原因。如果電流變化時沒有産生感應電壓，信号就不會受到電感的影響。

這個由電流變化産生的感應電壓引起了傳輸線效應、突變、串擾、開關噪聲、軌道塌陷、地彈和大多數電磁幹擾源。

由于感應電壓取決于電流變化的速率，是以有時用開關噪聲或△I噪聲描述當電流切換時在電感上産生的噪聲。

如果一條導線附近的另一條導線中有電流，則第二條導線的一些磁力線圈同時也環繞住第一條導線。那麼第二條導線中的電流變化時，在第一條導線周圍的那部分磁力線匝數也将發生變化，這個變化的磁力線匝數使第一條導線兩端産生感應電流。通常，我們用串擾來描述在鄰近導線上産生的感應電壓噪聲。

參考文獻：《信号完整性與電源完整性分析》（第三版）