電容對(duì)信號(hào)上升沿的影響

負(fù)載電容（IO電容）Cin對(duì)信號(hào)上升沿的影響

任何芯片IO都有輸入電容，通常為2pf左右，加上寄生電容，大約3ps。這個(gè)電容相當(dāng)于負(fù)載電容，高速信號(hào)在這個(gè)電容上建立電壓，相當(dāng)于給電容充電，電容的充電公式是：

V0是電容初始電壓，Vu充滿后的電壓值，假設(shè)V0=0V。那么上面公式簡(jiǎn)化為：

當(dāng)t = RC時(shí)，Vt = 0.63Vu；

當(dāng)t = 2RC時(shí)，Vt = 0.86Vu；

當(dāng)t = 3RC時(shí)，Vt = 0.95Vu；

當(dāng)t = 4RC時(shí)，Vt = 0.98Vu；

當(dāng)t = 5RC時(shí)，Vt = 0.99Vu；

我們平時(shí)用的時(shí)間常數(shù)τe指電容兩端電壓從0V上升到1-1/e=1-37%=63%所需的時(shí)間（e=2.71828）；

利用上述公式，計(jì)算出上升時(shí)間10%~90%所需要的時(shí)間是：

如果傳輸線阻抗50Ω，Cin=3pf，則τ10-90=0.33ns。如果信號(hào)的上升時(shí)間小于0.33ns，電容的充放電效應(yīng)將會(huì)影響信號(hào)的上升時(shí)間。如果信號(hào)的上升時(shí)間大于0.33ns，這個(gè)電容將使信號(hào)上升時(shí)間增加越0.33ns

負(fù)載電容對(duì)信號(hào)上升沿的直接影響就是延長(zhǎng)了上升時(shí)間，如下圖：

線路中途容性負(fù)載對(duì)信號(hào)的影響

測(cè)試焊盤，過孔，封裝引線或者連接到互連線中途的短樁線，都有寄生電容，相當(dāng)于容性負(fù)載。這些容性負(fù)載通常是pf級(jí)別。

假設(shè)這些容性負(fù)載導(dǎo)致阻抗突變?yōu)?5Ω，這導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)竭@里，有負(fù)的信號(hào)被反射，然后入射信號(hào)降低。當(dāng)信號(hào)到達(dá)負(fù)載端后返回，在這個(gè)點(diǎn)，又有負(fù)的信號(hào)返回到負(fù)載端。從波形上看就是信號(hào)幅度下降，下沖，振鈴，上升時(shí)間增加。

下面計(jì)算一下線路中途負(fù)載電容的阻抗：

假設(shè)上升沿是線性的dV/dt=V/Tr；

如果C很小，則Zcap很大，如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50Ω，那么與傳輸線的阻抗并聯(lián)，幾乎不影響整個(gè)傳輸線阻抗。如果Zcap的值與傳輸線相當(dāng)，它與傳輸線50Ω并聯(lián)，形成比50Ω小的阻抗，就會(huì)引起信號(hào)完整性問題。

經(jīng)驗(yàn)法則是Zcap>5x50Ω，就不會(huì)引起信號(hào)完整性問題。帶入上述公式：

也即是：

假設(shè)上升時(shí)間是1nf，則允許的電容量為4pf；如果上升時(shí)間是0.25ns，則允許的電容量是1pf。

容性突變對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的影響有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

50Ω?jìng)鬏斁€，對(duì)于2pf容性突變，傳輸信號(hào)的10-90%上升時(shí)間增加約50x2pf=100ps。50%門限的延遲累加約為0.5x50x2pf=50ps。

50%門限的延遲成為延遲累加，用這個(gè)衡量電容突變對(duì)延遲的影響比較準(zhǔn)確。上面的經(jīng)驗(yàn)公式比較準(zhǔn)確，下面是仿真結(jié)果，基本能吻合：

要想降低電容突變對(duì)信號(hào)上升沿的影響，如果電容降低不了，就只能降低傳輸線阻抗了。

審核編輯 ：李倩