6.1

電容的定義

電容是對兩個導(dǎo)體在給定電壓下存儲電荷效率的度量。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更多的電荷。如果構(gòu)成電容器的兩個導(dǎo)體之間的電壓升高，則存儲的電荷就增多，但其電容值不會改變，而且存儲電荷的效率也不會改變。

實際上，兩個導(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關(guān)。當(dāng)電壓加倍時，存儲的總電荷量也加倍，而二者的比值保持不變。然而，兩個導(dǎo)體之間的距離越小，或它們的重疊面積越大，它們的電容量就會越大。

電容的微妙之處在于，即使兩個導(dǎo)體之間沒有直接的連接線（可能是兩條不同的信號線），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)_和其他信號完整性問題。

6.2

電容器中的電流流動

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

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

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

6.3

平行板間的電容

平行板是很常見的一種，其電容量可表示為：

其中，C表示電容量（單位為pF），ε_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。在一定時間內(nèi)，電容可以阻止電源電壓的下沉。

我們經(jīng)常錯誤地認(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

單位長度電容

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

如果互連長度加倍，則線條之間的總電容也加倍，所以用單位長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，單位長度電容就保持不變。在均勻橫截面的互連中，信號路徑與返回路徑之間的電容為 ：

C = C_L × Len

其中，C_L表示單位長度電容，Len表示互連的長度。

還有兩種電路板常見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，有兩個平面提供返回路徑。

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

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