容性负载理解.doc

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1、容性负载的反射感性负载:即和电源相比当负载电流滞后负载电压一个相位差时负载为感性(如负载为电动机;变压器;)　容性负载:即和电源相比当负载电流超前负载电压一个相位差时负载为容性(如负载为补偿电容)　　阻性负载:即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性(如负载为白帜灯:电炉)所有的实际接收器都有输入门电容，接收器的封装引线与返回路径间也可能存在电容，这样就相当于在传输线的末端端接了一个容性负载，如图1所示。系统的响应波形与单纯开路完全不同，因为，电容是一个与时间相关的负载，它的瞬态阻抗随时间变化而变化，时域中电容的阻抗为　　式中，Vc，＝VL表示电容器两端的瞬态电压，C为电容量。

2、　　图1容性末端负载的反射　　如果信号上升速度快于电容充电速度，那么在信号上升沿刚刚到达时电容两端电压将迅速上升，阻抗很小。随着电容不断充电，电容两端的电压变化率缓慢下降，电容阻抗明显增大，时间足够长后，电容充电饱和，就相当于开路。　　瞬态阻抗决定反射系数，随着电容充电到饱和，反射系数也经历由－1到1的变化，这种变化带来波形的特殊变化情形，如图2和图3所示给出了当末端电容分别为0pF、2pF、5pF、10pF时，仿真得到源端电压Vinput及负载电压VL的波形。　　图2末端负载电容变化时的源端电压　　图3末端负载电容变化时的接收端电压　　可见，容性负载的存在给接收端信号带来了下冲噪声及上升

3、时间的变长。事实上，就像通过电阻向电容充电，充电过程的10％～90％的上升时间记为　　其中，Zo为传输线特性阻抗。容性负载将给接收端信号的10％～90％的上升时间带来时延。例如，电容为2pF，传输线阻抗为50Ω时，时延约为0.2ns。对于上升时间Ins的信号，无足轻重，但对于上升时间0，1ns的信号，从图3所示中就可以看出它的影响。此外，电容越大，其影响也就越大。　　除终端电容外，测试焊盘、过孔、拐角、桩线等还会在均匀传输线的中途引入容性加载阻抗，用“Hyperlynx”仿真如图4所示的电路得到的结果如图4所示。可以看出，此电容带来的危害有欠冲及振铃，尤其是欠冲，会随着电容的增大变得越来越

4、厉害。　　图4均匀传输线的中途引入容性阻抗　　不管是末端端接电容还是中途的不连续性寄生电容，都将造成欠冲及延长上升沿时间的问题，所以必须控制电路中的容性负载。首先，上述影响是由容性阻抗的负反射造成的，定义在信号上升边沿的瞬时容抗为　　当信号上升沿到达此电容时，这个并联在信号路径和返回路径之间的容抗会引起负反射。为了尽量减小这种不连续的影响，并联阻抗越大越好，通常要求加载电容的容抗Zg远远大于传输线特性阻抗Zo，即　　Zc＞＞Zo　　图5中途容性负载变化时的接收端波形　　根据经验，定义　　Zc＞5Zo　　也就是说，电路中允许并联跨接的最大电容为　　可见，随着时钟频率的升高和上升沿的变短，对电

5、路中寄生并联电容的限制越来越大，也给PCB设计和元件选择提出更高的要求。　PCB走线中途容性负载反射　　很多时候，PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等，都存在寄生电容，必然对信号造成影响。走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析，对起点和终点都有影响。　　首先按看一下对信号发射端的影响。当一个快速上升的阶跃信号到达电容时，电容快速充电，充电电流和信号电压上升快慢有关，充电电流公式为：I=C*dV/dt。电容量越大，充电电流越大，信号上升时间越快，dt越小，同样使充电电流越大。 　我们知道，信号的反射与信号感受到的阻抗变化有关，因此为了分析，我们看一下，电容

6、引起的阻抗变化。在电容开始充电的初期，阻抗表示为：　　这里dV实际上是阶跃信号电压变化，dt为信号上升时间，电容阻抗公式变为：　　从这个公式中，我们可以得到一个很重要的信息，当阶跃信号施加到电容两端的初期，电容的阻抗与信号上升时间和本身的电容量有关。　　通常在电容充电初期，阻抗很小，小于走线的特性阻抗。信号在电容处发生负反射，这个负电压信号和原信号叠加，使得发射端的信号产生下冲，引起发射端信号的非单调性。　　对于接收端，信号到达接收端后，发生正反射，反射回来的信号到达电容位置，那个样发生负反射，反射回接收端的负反射电压同样使接收端信号产生下冲。　　为了使反射噪声小于电压摆幅的5%（这种情况

7、对信号影响可以容忍），阻抗变化必须小于10%。那么电容阻抗应该控制在多少？电容的阻抗表现为一个并联阻抗，我们可以用并联阻抗公式和反射系数公式来确定它的范围。对于这种并联阻抗，我们希望电容阻抗越大越好。假设电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k倍，根据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为：　　阻抗变化率为：，即，也就是说，根据这种理想的计算，电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。实际上，随着电容的充电，电容的阻抗不断增