信号完整性电容器中的电流流动简析

6.1

电容的定义

电容是对两个导体在给定电压下存储电荷效率的度量。电容值越大，就意味着导体在相同电压下能够有效地存储更多的电荷。如果构成电容器的两个导体之间的电压升高，则存储的电荷就增多，但其电容值不会改变，而且存储电荷的效率也不会改变。

实际上，两个导体之间的电容量取决于导体的几何结构和周围介质的材料属性，而与施加的电压完全无关。当电压加倍时，存储的总电荷量也加倍，而二者的比值保持不变。然而，两个导体之间的距离越小，或它们的重叠面积越大，它们的电容量就会越大。

电容的微妙之处在于，即使两个导体之间没有直接的连接线（可能是两条不同的信号线），导体之间也总是有电容存在的。在某些情况下，电流可以流经电容，这就引起了串扰和其他信号完整性问题。

6.2

电容器中的电流流动

理想电容器中，被介质材料隔离开的两个导体之间没有直流通路。因为导体之间是绝缘的介质，所以通常认为实际电容器中没有任何电流流过。那么，怎样才能使电流流过绝缘介质呢？如之前所述的，只有当两个导体之间的电压变化时，才可能有电流流经电容器。

两个导体之间的确有明显的电流流动。例如，为了增加两个导体之间的电压，就必须在一个导体上增加正电荷，并从另一个导体上取走正电荷。这看起来就像是把正电荷加到一个导体上, 这些正电荷又从另一个导体出来。所以，当导体之间的电压变化时，就等效电流流过电容器。通常把这种等效流过电容器真空中的电流称为“位移电流”。

传导电流是导体中自由电荷的运动。极化电流则与传导电流不同，它是当极化改变时，例如当材料内部的电场改变时，电介质中被束缚电荷的运动。而位移电流则是当真空中的电场变化时电流流动的特殊情况。

6.3

平行板间的电容

平行板是很常见的一种，其电容量可表示为：

其中，C表示电容量（单位为pF），ε_0表示自由空间的介电常数（为0.089 pF/cm或0.225 pF/in），A表示平板的面积，h表示平板间距。

上述关系式表明了电容器的一个重要几何结构特征；导体间距越大，电容量就越小；导体重叠面积越大，电容量就越大。

6.4

电源、地平面及去耦电容

分析集成电路或多层印制电路板中电源和地平面之间的电容量。为了减小电源分配系统中的电压轨道塌陷，就要在电源和地之间有足够的去耦电容。在一定时间内，电容可以阻止电源电压的下沉。

我们经常错误地认为，电路板中电源和地平面之间的电容可以提供有效的去耦。

一般而言，虽然多层电路板中存在平面电容，但它太小了，在电源管理中起不到很明显的作用。电源与地平面的实际作用就是为芯片和去耦电容器之间提供低电感路径，而不是直接提供去耦电容。

6.5

单位长度电容

大多数均匀互连都有横截面固定的信号路径和返回路径。这样，信号路径与返回路径之间的电容与互连的长度成比例。

如果互连长度加倍，则线条之间的总电容也加倍，所以用单位长度电容能方便地描述互连线条之间的电容。只要横截面是均匀的，单位长度电容就保持不变。在均匀横截面的互连中，信号路径与返回路径之间的电容为 ：

C = C_L × Len

其中，C_L表示单位长度电容，Len表示互连的长度。

还有两种电路板常见横截面互连的有用近似式，就是微带线和带状线。在微带线中，信号线在介质层上面，介质层下面是平面，在带状线中，有两个平面提供返回路径。

对于高频信号而言，无论两个平面之间是否直流相通，它们实际上是短接在一起的，所以可认为是相连的。相对于信号线，这两个平面是对称的，介质材料即电路板叠层完全包裹住了信号线。

对于常用的FR4板材，6 mil线宽，阻抗约为50欧姆，表层走线的单位长度电容约为每英寸3 pF,内层走线的单位长度电容约为每英寸3. 5 pF,内层走线的单位长度电容稍高于表层走线。