很多時候,pcb走線中途會經過過孔、測試點焊盤、短的stub線等,都存在寄生電容,必然對訊號造成影響。走線中途的電容對訊號的影響要從發射端和接受端兩個方面分析,對起點和終點都有影響。
首先按看一下對訊號發射端的影響。當乙個快速上公升的階躍訊號到達電容時,電容快速充電,充電電流和訊號電壓上公升快慢有關,充電電流公式為:i=c*dv/dt。電容量越大,充電電流越大,訊號上公升時間越快,dt越小,同樣使充電電流越大。
我們知道,訊號的反射與訊號感受到的阻抗變化有關,因此為了分析,我們看一下,電容引起的阻抗變化。在電容開始充電的初期,阻抗表示為:
這裡dv實際上是階躍訊號電壓變化,dt為訊號上公升時間,電容阻抗公式變為:
從這個公式中,我們可以得到乙個很重要的資訊,當階躍訊號施加到電容兩端的初期,電容的阻抗與訊號上公升時間和本身的電容量有關。
通常在電容充電初期,阻抗很小,小於走線的特性阻抗。訊號在電容處發生負反射,這個負電壓訊號和原訊號疊加,使得發射端的訊號產生下衝,引起發射端訊號的非單調性。
對於接收端,訊號到達接收端後,發生正反射,反射回來的訊號到達電容位置,那個樣發生負反射,反射回接收端的負反射電壓同樣使接收端訊號產生下衝。
為了使反射雜訊小於電壓擺幅的5%(這種情況對訊號影響可以容忍),阻抗變化必須小於10%。那麼電容阻抗應該控制在多少?電容的阻抗表現為乙個併聯阻抗,我們可以用併聯阻抗公式和反射係數公式來確定它的範圍。對於這種併聯阻抗,我們希望電容阻抗越大越好。假設電容阻抗是pcb走線特性阻抗的k倍,根據併聯阻抗公式得到電容處訊號感受到的阻抗為:
阻抗變化率為:
,即
,也就是說,根據這種理想的計算,電容的阻抗至少要是pcb特性阻抗的9倍以上。實際上,隨著電容的充電,電容的阻抗不斷增加,並不是一直保持最低阻抗,另外,每乙個器件還會有寄生電感,使阻抗增加。因此這個9倍限制可以放寬。在下邊的討論中假設這個限制是5倍。
有了阻抗的指標,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歐姆來計算。
得出:
即在這種情況下,如果訊號上公升時間為1ns,那麼電容量要小於4皮法。反之,如果電容量為4皮法,則訊號上公升時間最快為1ns,如果訊號上公升時間為0.5ns,這個4皮法的電容就會產生問題。
這裡的計算只不過是為了說明電容的影響,實際電路中情況十分複雜,需要考慮的因素更多,因此這裡計算是否精確沒有實際意義。關鍵是要通過這種計算理解電容是如何影響訊號的。我們對電路板上每乙個因素的影響都有乙個感性認識後,就能為設計提供必要的指導,出現問題就知道如何去分析。精確的評估需要用軟體來**。
總結:
1 pcb走線中途容性負載使發射端訊號產生下衝,接收端訊號也會產生下衝。
2 能容忍的電容量和訊號上公升時間有關,訊號上公升時間越快,能容忍的電容量越小。
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