6.1

電容的定義

電容是對(duì)兩個(gè)導(dǎo)體在給定電壓下存儲(chǔ)電荷效率的度量。電容值越大，就意味著導(dǎo)體在相同電壓下能夠有效地存儲(chǔ)更多的電荷。如果構(gòu)成電容器的兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓升高，則存儲(chǔ)的電荷就增多，但其電容值不會(huì)改變，而且存儲(chǔ)電荷的效率也不會(huì)改變。

實(shí)際上，兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容量取決于導(dǎo)體的幾何結(jié)構(gòu)和周圍介質(zhì)的材料屬性，而與施加的電壓完全無(wú)關(guān)。當(dāng)電壓加倍時(shí)，存儲(chǔ)的總電荷量也加倍，而二者的比值保持不變。然而，兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離越小，或它們的重疊面積越大，它們的電容量就會(huì)越大。

電容的微妙之處在于，即使兩個(gè)導(dǎo)體之間沒(méi)有直接的連接線（可能是兩條不同的信號(hào)線），導(dǎo)體之間也總是有電容存在的。在某些情況下，電流可以流經(jīng)電容，這就引起了串?dāng)_和其他信號(hào)完整性問(wèn)題。

6.2

電容器中的電流流動(dòng)

理想電容器中，被介質(zhì)材料隔離開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)體之間沒(méi)有直流通路。因?yàn)閷?dǎo)體之間是絕緣的介質(zhì)，所以通常認(rèn)為實(shí)際電容器中沒(méi)有任何電流流過(guò)。那么，怎樣才能使電流流過(guò)絕緣介質(zhì)呢？如之前所述的，只有當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓變化時(shí)，才可能有電流流經(jīng)電容器。

兩個(gè)導(dǎo)體之間的確有明顯的電流流動(dòng)。例如，為了增加兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓，就必須在一個(gè)導(dǎo)體上增加正電荷，并從另一個(gè)導(dǎo)體上取走正電荷。這看起來(lái)就像是把正電荷加到一個(gè)導(dǎo)體上, 這些正電荷又從另一個(gè)導(dǎo)體出來(lái)。所以，當(dāng)導(dǎo)體之間的電壓變化時(shí)，就等效電流流過(guò)電容器。通常把這種等效流過(guò)電容器真空中的電流稱為“位移電流”。

傳導(dǎo)電流是導(dǎo)體中自由電荷的運(yùn)動(dòng)。極化電流則與傳導(dǎo)電流不同，它是當(dāng)極化改變時(shí)，例如當(dāng)材料內(nèi)部的電場(chǎng)改變時(shí)，電介質(zhì)中被束縛電荷的運(yùn)動(dòng)。而位移電流則是當(dāng)真空中的電場(chǎng)變化時(shí)電流流動(dòng)的特殊情況。

6.3

平行板間的電容

平行板是很常見(jiàn)的一種，其電容量可表示為：

其中，C表示電容量（單位為pF），ε_(tái)0表示自由空間的介電常數(shù)（為0.089 pF/cm或0.225 pF/in），A表示平板的面積，h表示平板間距。

上述關(guān)系式表明了電容器的一個(gè)重要幾何結(jié)構(gòu)特征；導(dǎo)體間距越大，電容量就越小；導(dǎo)體重疊面積越大，電容量就越大。

6.4

電源、地平面及去耦電容

分析集成電路或多層印制電路板中電源和地平面之間的電容量。為了減小電源分配系統(tǒng)中的電壓軌道塌陷，就要在電源和地之間有足夠的去耦電容。在一定時(shí)間內(nèi)，電容可以阻止電源電壓的下沉。

我們經(jīng)常錯(cuò)誤地認(rèn)為，電路板中電源和地平面之間的電容可以提供有效的去耦。

一般而言，雖然多層電路板中存在平面電容，但它太小了，在電源管理中起不到很明顯的作用。電源與地平面的實(shí)際作用就是為芯片和去耦電容器之間提供低電感路徑，而不是直接提供去耦電容。

6.5

單位長(zhǎng)度電容

大多數(shù)均勻互連都有橫截面固定的信號(hào)路徑和返回路徑。這樣，信號(hào)路徑與返回路徑之間的電容與互連的長(zhǎng)度成比例。

如果互連長(zhǎng)度加倍，則線條之間的總電容也加倍，所以用單位長(zhǎng)度電容能方便地描述互連線條之間的電容。只要橫截面是均勻的，單位長(zhǎng)度電容就保持不變。在均勻橫截面的互連中，信號(hào)路徑與返回路徑之間的電容為 ：

C = C_L × Len

其中，C_L表示單位長(zhǎng)度電容，Len表示互連的長(zhǎng)度。

還有兩種電路板常見(jiàn)橫截面互連的有用近似式，就是微帶線和帶狀線。在微帶線中，信號(hào)線在介質(zhì)層上面，介質(zhì)層下面是平面，在帶狀線中，有兩個(gè)平面提供返回路徑。

對(duì)于高頻信號(hào)而言，無(wú)論兩個(gè)平面之間是否直流相通，它們實(shí)際上是短接在一起的，所以可認(rèn)為是相連的。相對(duì)于信號(hào)線，這兩個(gè)平面是對(duì)稱的，介質(zhì)材料即電路板疊層完全包裹住了信號(hào)線。

對(duì)于常用的FR4板材，6 mil線寬，阻抗約為50歐姆，表層走線的單位長(zhǎng)度電容約為每英寸3 pF,內(nèi)層走線的單位長(zhǎng)度電容約為每英寸3. 5 pF,內(nèi)層走線的單位長(zhǎng)度電容稍高于表層走線。