容性負(fù)載理解

1、容性負(fù)載的反射感性負(fù)載：即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)負(fù)載為感性（如負(fù)載為電動(dòng)機(jī)；變壓器；）容性負(fù)載：即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)負(fù)載為容性（如負(fù)載為補(bǔ)償電容）阻性負(fù)載：即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流負(fù)載電壓沒有相位差時(shí)負(fù)載為阻性（如負(fù)載為白幟燈：電爐）所有的實(shí)際接收器都有輸入門電容，接收器的封裝引線與返回路徑間也可能存在電容，這樣就相當(dāng)于在傳輸線的末端端接了一個(gè)容性負(fù) 載，如圖1所示。系統(tǒng)的響應(yīng)波形與單純開路完全不同，因?yàn)?，電容是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的負(fù)載，它的瞬態(tài)阻抗隨時(shí)間變化而變化，時(shí)域 中電容的阻抗為乙在2dr式中，Vc , = VL表示電容器兩端的瞬態(tài)電壓，C為電

2、容量。圖1容性末端負(fù)載的反射如果信號(hào)上升速度快于電容充電速度，那么在信號(hào)上升沿剛剛到達(dá)時(shí)電容兩端電壓將迅速上升，阻抗很小。隨著電容不斷充電，電容兩端的電壓變化率緩慢下降，電容阻抗明顯增大,瞬態(tài)阻抗決定反射系數(shù)，隨著電容充電到飽和, 圖3所示給出了當(dāng)末端電容分別為0pF、2pF時(shí)間足夠長(zhǎng)后，電容充電飽和，就相當(dāng)于開路。反射系數(shù)也經(jīng)歷由一1到1的變化，這種變化帶來波形的特殊變化情形，如圖2和、5pF、10pF時(shí)，仿真得到源端電壓 Vinput及負(fù)載電壓VL的波形。圖2末端負(fù)載電容變化時(shí)的源端電壓可見，容性負(fù)載的存在給接收端信號(hào)帶來了下沖噪聲及上升時(shí)間的變長(zhǎng)。事實(shí)上，就像通過電阻向電容充電， 充電過

3、程的10 %90 %的上升時(shí)間記為Goto = 2Z0C(3-43)其中，Zo為傳輸線特性阻抗。容性負(fù)載將給接收端信號(hào)的10 %90 %的上升時(shí)間帶來時(shí)延。 例如，電容為2pF ,傳輸線阻抗為50Q時(shí)，時(shí)延約為0.2 ns。對(duì)于上升時(shí)間Ins的信號(hào)，無足輕重，但對(duì)于上升時(shí)間0, 1 ns的信號(hào)，從圖3所示中就可以看出它的影響。此外，電容越大，其影響也就越大。除終端電容外，測(cè)試焊盤、過孔、拐角、樁線等還會(huì)在均勻傳輸線的中途引入容性加載阻抗，用“Hyperlynx ”仿真如圖4所示的電路得到的結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯穗娙輲淼奈：τ星窙_及振鈴，尤其是欠沖，會(huì)隨著電容的增大變得越來越厲害。圖4均

4、勻傳輸線的中途引入容性阻抗不管是末端端接電容還是中途的不連續(xù)性寄生電容，都將造成欠沖及延長(zhǎng)上升沿時(shí)間的問題，所以必須控制電路中的容性負(fù)載。首先，上述影響是由容性阻抗的負(fù)反射造成的，定義在信號(hào)上升邊沿的瞬時(shí)容抗為(3-44)V RTRT當(dāng)信號(hào)上升沿到達(dá)此電容時(shí)，這個(gè)并聯(lián)在信號(hào)路徑和返回路徑之間的容抗會(huì)引起負(fù)反射。為了盡量減小這種不連續(xù)的影響，并聯(lián)阻抗越大越好，通常要求加載電容的容抗Zg遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸線特性阻抗 Zo ,即Zc > > Zo圖5中途容性負(fù)載變化時(shí)的接收端波形根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，定義Zc >5Zo也就是說，電路中允許并聯(lián)跨接的最大電容為RT5Z0(3-45)PCB設(shè)計(jì)和元件選擇

5、提出更高的要求。可見，隨著時(shí)鐘頻率的升高和上升沿的變短，對(duì)電路中寄生并聯(lián)電容的限制越來越大，也給PCB走線中途容性負(fù)載反射很多時(shí)候，PCB走線中途會(huì)經(jīng)過過孔、測(cè)試點(diǎn)焊盤、短的 stub線等，都存在寄生電容，必然對(duì)信號(hào)造成影響。走線中途的電容對(duì) 信號(hào)的影響要從發(fā)射端和接受端兩個(gè)方面分析，對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)都有影響。首先按看一下對(duì)信號(hào)發(fā)射端的影響。當(dāng)一個(gè)快速上升的階躍信號(hào)到達(dá)電容時(shí)，電容快速充電，充電電流和信號(hào)電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為：I=C*dV/dt 。電容量越大，充電電流越大，信號(hào)上升時(shí)間越快，dt越小，同樣使充電電流越大。我們知道，信號(hào)的反射與信號(hào)感受到的阻抗變化有關(guān)，因此為了分析，我們

6、看一下，電容引起的阻抗變化。在電容開始充電的初期,阻抗表示為：這里dV實(shí)際上是階躍信號(hào)電壓變化， dt為信號(hào)上升時(shí)間，電容阻抗公式變?yōu)?% = =/ aRT從這個(gè)公式中，我們可以得到一個(gè)很重要的信息，當(dāng)階躍信號(hào)施加到電容兩端的初期，電容的阻抗與信號(hào)上升時(shí)間和本身的電容量 有關(guān)。通常在電容充電初期，阻抗很小，小于走線的特性阻抗。信號(hào)在電容處發(fā)生負(fù)反射，這個(gè)負(fù)電壓信號(hào)和原信號(hào)疊加，使得發(fā)射端的信號(hào)產(chǎn)生下沖，引起發(fā)射端信號(hào)的非單調(diào)性。對(duì)于接收端，信號(hào)到達(dá)接收端后，發(fā)生正反射，反射回來的信號(hào)到達(dá)電容位置，那個(gè)樣發(fā)生負(fù)反射，反射回接收端的負(fù)反射電壓同樣使接收端信號(hào)產(chǎn)生下沖。為了使反射噪聲小于電壓擺幅的5

7、% （這種情況對(duì)信號(hào)影響可以容忍），阻抗變化必須小于10%。那么電容阻抗應(yīng)該控制在多少？電容的阻抗表現(xiàn)為一個(gè)并聯(lián)阻抗，我們可以用并聯(lián)阻抗公式和反射系數(shù)公式來確定它的范圍。對(duì)于這種并聯(lián)阻抗，我們希望電容阻抗越大越好。假設(shè)電容阻抗是 PCB走線特性阻抗的k倍，根據(jù)并聯(lián)阻抗公式得到電容處信號(hào)感受到的阻抗為:<1?阻抗變化率為：比+1,即,即，也就是說，根據(jù)這種理想的計(jì)算，電容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。實(shí)際上，隨著電容的充電，電容的阻抗不斷增加，并不是一直保持最低阻抗，另外，每一個(gè)器件還會(huì)有寄生電感，使阻抗增加。因此這個(gè)9倍限制可以放寬。在下邊的討論中假設(shè)這個(gè)限制是5倍。有了阻抗的指標(biāo)，我們就可以確定能容忍多大的電容量。電路板上50歐姆特性阻抗很常見，我就用50歐姆來計(jì)算。；5七50得出：C（ £4 乂RT即在這種情況下，如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns,那么電容量要小于 4皮法。反之，如果電容量為 4皮法，則信號(hào)上升時(shí)間最快為 1ns,如果信號(hào)上升時(shí)間為 0.5ns,這個(gè)4皮法的電容就會(huì)產(chǎn)生問題。這里的計(jì)算只不過是為了說明電容的影響，實(shí)際電路中情況十分復(fù)雜，需要考慮的因素更多，因此這里計(jì)算是否精確沒有實(shí)際意義。關(guān)鍵是要通過這種計(jì)算理解電容是如何影響信號(hào)的。我們對(duì)電路板上每一個(gè)因素的影響都