電容元件基本性質(zhì)

電容元件具有兩個(gè)基本的性質(zhì):

(1)電容電壓的記憶性

從式可見，任意時(shí)刻T電容電壓的數(shù)值uC(T)，要由從-∞到時(shí)刻T之間的全部電流iC(t)來確定。也就是說，此時(shí)刻以前流過電容的任何電流對時(shí)刻T 的電壓都有一定的貢獻(xiàn)。這與電阻元件的電壓或電流僅僅取決于此時(shí)刻的電流或電壓完全不同，我們說電容是一種記憶元件。

(2)電容電壓的連續(xù)性

從例7-2的計(jì)算結(jié)果可以看出，電容電流的波形是不連續(xù)的矩形波，而電容電壓的波形是連續(xù)的。從這個(gè)平滑的電容電壓波形可以看出電容電壓是連續(xù)的一般性質(zhì)。即電容電流在閉區(qū)間[t1,t2]有界時(shí)，電容電壓在開區(qū)間(t1,t2)內(nèi)是連續(xù)的。這可以從電容電壓、電流的積分關(guān)系式中得到證明。

"電容元件"是"電路分析"學(xué)科中電路模型中除了電阻元件R，電感元件L以外的一個(gè)電路基本元件。在線性電路中，電容元件以電容量C表示。元件的"伏安關(guān)系"是線性電路分析中除了基爾霍夫定律以外的必要的約束條件。電容元件的伏安關(guān)系是 i=C(dv/dt),也就是說，電容元件中的電流，除了電容量C以外，與電阻元件R不同，它不是取決于電壓v本身，而是取決于電壓對時(shí)間的變化率(dv/dt).電壓變化愈快，電容中的電流愈大，反之則愈小。據(jù)此，在"穩(wěn)態(tài)"情況下，當(dāng)電壓為直流時(shí)，電容中電流為零;當(dāng)電壓為正弦波時(shí)，電容中電流也是正弦波，但在相位上要超前電壓(π/2);當(dāng)電壓為周期性等腰三角形波時(shí)，電流為矩形波，如此等等。總的來說，電容中的電流波形比電壓變化得更快，含有更多的高頻成分。

集總參數(shù)電路中與電場有關(guān)的物理過程集中在電容元件中進(jìn)行，電容元件是構(gòu)成各種電容器的電路模型所必需的一種理想電路元件 。

電容元件是一種表征電路元件儲存電荷特性的理想元件，其原始模型為由兩塊金屬極板中間用絕緣介質(zhì)隔開的平板電容器。當(dāng)在兩極板上加上電壓后，極板上分別積聚著等量的正負(fù)電荷，在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場。積聚的電荷愈多，所形成的電場就愈強(qiáng)，電容元件所儲存的電場能也就愈大。

其特性曲線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)一條直線的電容元件稱為線性電容元件，否則稱為非線性電容元件。

線性時(shí)不變電容元件的符號與特性曲線如圖(c)和(d)所示，它的特性曲線是一條通過原點(diǎn)不隨時(shí)間變化的直線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=Cu。

式中的系數(shù)C為常量，與直線的斜率成正比，稱為電容，單位是法[拉]，用F表示。

第1章 電阻元件

1?1電阻元件的基本特性

1?1?1電阻元件的u-i特性

1?1?2電阻元件的串聯(lián)和并聯(lián)

1?2高速電路中的電阻

1?2?1電阻器的阻抗頻率特性

1?2?2互連線的電阻

1?2?3單位長度電阻

1?2?4方塊電阻

1?2?5非理想互連與電源/地平面突變的影響

1?2?6趨膚效應(yīng)的影響

第2章電容元件

2?1電容元件的基本特性

2?1?1電容元件的電容量

2?1?2電容元件的電壓-電流關(guān)系

2?1?3電容元件的串聯(lián)和并聯(lián)

2?2電容器的頻率特性

2?2?1電容器的阻抗頻率特性

2?2?2電容器的衰減頻率特性

2?3電容器的ESR和ESL特性

2?4片狀電容器的使用

2?4?1片狀電容器的選擇

2?4?2片狀電容器的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2?5低ESL的電容器

2?5?1低ESL電容器結(jié)構(gòu)

2?5?2低ESL電容器的阻抗頻率特性

2?6片狀三端子電容器

2?6?1片狀三端子電容器的頻率特性

2?6?2使用三端子電容器減小ESL

2?6?3三端子電容器的PCB布局與等效電路

2?6?4三端子電容器的應(yīng)用

2?7X2Y?電容器

2?7?1采用X2Y?電容器替換穿心式電容器

2?7?2X2Y?電容器的封裝形式和尺寸

2?7?3X2Y?電容器的應(yīng)用與PCB布局

2?8可藏于PCB基板內(nèi)的電容器

2?9PCB的電容

2?9?1PCB的平行板電容

2?9?2PCB的導(dǎo)線電容

2?9?3PCB的導(dǎo)線互容

2?9?4PCB的過孔電容

2?10埋入式電容

2?10?1埋入式電容技術(shù)簡介

2?10?2埋入式電容技術(shù)的應(yīng)用

2?11IC封裝的電容

第3章電感元件

3?1電感元件的基本特性

3?1?1電感元件的電感量

3?1?2電感元件的電壓-電流關(guān)系

3?1?3電感元件的串聯(lián)和并聯(lián)

3?2電感器的頻率特性

3?2?1電感器的阻抗頻率特性

3?2?2電感器的Q值頻率特性

3?2?3電感器的電感值頻率特性

3?3電感器的電感值DC電流特性

3?4電感器的選擇

3?5互感

3?5?1互感現(xiàn)象

3?5?2耦合系數(shù)

3?5?3耦合電感上的電壓-電流關(guān)系

3?5?4兩相鄰?fù)放c導(dǎo)線間的"互感耦合"

3?6局部電感

3?6?1局部自感

3?6?2局部互感

3?7回路電感

3?7?1導(dǎo)線回路的電感

3?7?2回路面積對電感的影響

3?7?3環(huán)形線圈的回路電感

3?7?4兩根相鄰的導(dǎo)線的回路電感

3?8PCB的電感

3?8?1PCB導(dǎo)線的電感

3?8?2PCB的過孔電感

3?8?3PCB導(dǎo)線的互感

3?9IC封裝的電感

3?10電感引起的"地彈"與控制

3?10?1"地彈"

3?10?2"地彈"的控制

3?11LC電路的阻抗特性

3?11?1LC串聯(lián)電路的阻抗特性

3?11?2LC并聯(lián)電路的阻抗特性

第4章鐵氧體元件

4?1鐵氧體元件的基本特性

4?1?1鐵氧體的基本特性

4?1?2鐵氧體磁珠的基本特性

4?2片式鐵氧體磁珠

4?2?1信號線用片式鐵氧體磁珠

4?2?2電源線用片式鐵氧體磁珠

4?2?3吉赫茲高頻型片式鐵氧體磁珠

4?2?4片式鐵氧體磁珠陣列(磁珠排)

4?2?5其他類型的片式鐵氧體磁珠

4?2?6片狀鐵氧體磁珠的選擇

4?2?7片狀鐵氧體磁珠在電路中的應(yīng)用

4?2?8鐵氧體磁珠的安裝位置

4?3EMC(電磁兼容)用鐵氧體

4?3?1EMC(電磁兼容)用鐵氧體類型

4?3?2EMC(電磁兼容)用鐵氧體阻抗頻率特性

第5章高速數(shù)字電路的PDN(電源分配網(wǎng)絡(luò))設(shè)計(jì)

5?1PDN與 SI、PI和EMI

5?1?1PDN是 SI、PI和EMI的公共基礎(chǔ)互連

5?1?2優(yōu)良的PDN設(shè)計(jì)是SI、PI和EMI的基本保證

5?2PDN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5?3VRM(電壓調(diào)節(jié)模塊)

5?3?1高速數(shù)字系統(tǒng)的供電要求

5?3?2DC-DC電路

5?3?3點(diǎn)負(fù)載(PoL) DC-DC轉(zhuǎn)換器

5?3?4線性穩(wěn)壓電路

5?3?5線性穩(wěn)壓和DC-DC的混合IC電路

5?4去耦電容器

5?5PCB電源/地平面

5?5?1PCB電源/地平面的功能

5?5?2PCB電源/地平面設(shè)計(jì)一般原則

5?5?34層板的PCB電源/地平面設(shè)計(jì)

5?5?46層板的PCB電源/地平面設(shè)計(jì)

5?5?58層板的PCB電源/地平面設(shè)計(jì)

5?5?610層板的PCB電源/地平面設(shè)計(jì)

5?5?7PCB電源/地平面的主要缺點(diǎn)和負(fù)作用

5?6封裝電源/地平面和芯片電源分配網(wǎng)絡(luò)

5?7目標(biāo)阻抗

5?7?1目標(biāo)阻抗的定義

5?7?2基于目標(biāo)阻抗的PDN設(shè)計(jì)

5?7?3利用目標(biāo)阻抗計(jì)算去耦電容器的電容量

5?8基于功率傳輸?shù)腜DN設(shè)計(jì)方法

5?8?1穩(wěn)壓電源電路的反應(yīng)時(shí)間

5?8?2去耦電容的去耦時(shí)間

5?8?3電源系統(tǒng)的輸出阻抗

5?8?4利用電源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載計(jì)算電容量

5?8?5平面PDN的一維分布模型

第6章高速數(shù)字電路的去耦電路設(shè)計(jì)

6?1高速數(shù)字電路的去耦電路結(jié)構(gòu)與特性

6?1?1高速數(shù)字電路的去耦電路基本結(jié)構(gòu)

6?1?2數(shù)字IC電源噪聲的產(chǎn)生

6?1?3測量去耦電路性能的測量點(diǎn)

6?1?4去耦電路的插入損耗測量

6?2插入損耗特性

6?2?1電容器的插入損耗特性

6?2?2電感器和鐵氧體磁珠的插入損耗特性

6?3影響電容器噪聲抑制效果的因素

6?3?1電容器的頻率特性的影響

6?3?2噪聲路徑與電容器安裝位置

6?3?3外圍電路阻抗的影響

6?3?4電容器的并聯(lián)和反諧振

6?4LC濾波器(去耦電路)

6?4?1使用一個(gè)電感器的去耦電路

6?4?2電感器的插入損耗

6?4?3鐵氧體磁珠的插入損耗

6?4?4LC濾波器的插入損耗特性

6?4?5使用電感器時(shí)的注意事項(xiàng)

6?5使用去耦電容抑制電源電壓波動(dòng)

6?5?1數(shù)字IC的電流和電壓波動(dòng)

6?5?2電源阻抗和電壓波動(dòng)之間的關(guān)系

6?5?3電壓波動(dòng)計(jì)算模型

6?5?4抑制電流波動(dòng)的尖峰

6?5?5抑制脈沖寬度較寬的電流波動(dòng)

6?6使用去耦電容降低IC的電源阻抗

6?6?1電源阻抗的計(jì)算模型

6?6?2IC電源阻抗的計(jì)算

6?6?3電容器靠近IC放置的允許距離

6?7PDN中的去耦電容

6?7?1去耦電容器的電流供應(yīng)模式

6?7?2IC電源的目標(biāo)阻抗

6?7?3去耦電容器組合的阻抗特性

6?7?4PCB上的目標(biāo)阻抗

6?8去耦電容器的容量計(jì)算

6?8?1計(jì)算去耦電容器容量的模型

6?8?2確定目標(biāo)阻抗

6?8?3確定大容量電容器的容量

6?8?4確定板電容器的容量

6?8?5確定板電容器的安裝位置

6?8?6減少ESLcap

6?8?7毫歐姆級超低目標(biāo)阻抗設(shè)計(jì)

第7章FPGA的PDN設(shè)計(jì)

7?1FPGA的PDN模型

7?1?1FPGA的PDN通用模型

7?1?2簡化的FPGA的PDN模型

7?2對去耦電容器的要求

7?2?1電容器的寄生電感

7?2?2電容器的有效頻率

7?2?3去耦電容器的位置

7?2?4反諧振

7?3PCB電流通路電感

7?3?1電容器貼裝電感

7?3?2PCB電源和接地平面電感

7?3?3FPGA 貼裝電感

7?4PCB 疊層和層序

7?5設(shè)計(jì)示例:VirtexTM-5 FPGA的PDN設(shè)計(jì)

7?5?1Virtex-5 FPGA的VRM

7?5?2必需的 PCB 去耦電容器

7?5?3替代電容器

7?5?4PCB 設(shè)計(jì)檢查項(xiàng)目

7?5?5VirtexTM-5的PCB布局

7?6FPGA PDN設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

7?6?1確定FPGA的參數(shù)

7?6?2去耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

7?6?3模擬

7?6?4性能測量

7?6?5優(yōu)化去耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

7?6?6存在的問題分析和改進(jìn)

7?7仿真工具

7?7?1常用的一些PDN設(shè)計(jì)和仿真EDA工具

7?7?2Altera的PDN設(shè)計(jì)工具

第8章高速數(shù)字電路的信號完整性

8?1模擬信號與數(shù)字信號

8?1?1模擬信號

8?1?2數(shù)字信號

8?1?3模擬量的數(shù)字表示

8?2信號的時(shí)域與頻域的描述

8?2?1信號在時(shí)域中的相關(guān)概念

8?2?2信號在頻域中的相關(guān)概念

8?3脈沖(數(shù)字)信號的幾個(gè)參數(shù)

8?3?1非理想的脈沖(數(shù)字)信號波形

8?3?2周期性和非周期性脈沖(數(shù)字)信號

8?4上升時(shí)間與帶寬(頻寬)

8?4?1正弦波與方波

8?4?2上升時(shí)間

8?4?3帶寬(頻寬)

8?4?4邊沿率(壓擺率)

8?5電路的電性等效模型

8?5?1全波模型

8?5?2離散模型

8?5?3集總模型

8?5?4直流模型

8?5?5"集總模型"與"離散模型"的分界點(diǎn)

8?5?6傳播速度與材料的介電常數(shù)之間的關(guān)系

8?6傳輸線

8?6?1傳輸線的定義

8?6?2PCB傳輸線

8?6?3微帶線

8?6?4埋入式微帶線

8?6?5單帶狀線

8?6?6雙帶狀線或非對稱帶狀線

8?6?7差分微帶線和帶狀線

8?6?8介質(zhì)材料對傳播速度的影響

8?7反射

8?7?1反射的產(chǎn)生

8?7?2串聯(lián)突變引起的反射

8?7?3并聯(lián)樁線及分支引起的反射

8?7?4容性反射

8?7?5感性反射

8?7?6傳輸線的反射

8?7?7反彈圖

8?7?8利用終端匹配的方法改善反射現(xiàn)象

8?8串?dāng)_

8?8?1拐點(diǎn)頻率和互阻抗模型

8?8?2電容耦合產(chǎn)生的串?dāng)_(容性串?dāng)_)

8?8?3電感耦合產(chǎn)生的串?dāng)_(感性串?dāng)_)

8?8?4反向串?dāng)_和前向串?dāng)_的基本特性

8?8?5串?dāng)_的測量

8?8?6減小PCB上串?dāng)_的一些措施

8?9同時(shí)開關(guān)噪聲(SSN)

8?9?1SSN的成因

8?9?2片上開關(guān)

8?9?3片外開關(guān)

8?9?4降低SSN的一些措施

8?10抖動(dòng)

8?10?1抖動(dòng)和噪聲對信號的影響

8?10?2產(chǎn)生抖動(dòng)和噪聲的根源

8?10?3抖動(dòng)和噪聲的分類

8?10?4數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)(DDJ)

8?10?5占空比失真(DCD)

8?10?6碼間干擾(ISI)

8?10?7周期性噪聲和抖動(dòng)

8?10?8附加的抖動(dòng)源

8?11時(shí)鐘抖動(dòng)

8?11?1時(shí)鐘抖動(dòng)的基本特性

8?11?2時(shí)鐘的相位抖動(dòng)

8?11?3時(shí)鐘的周期抖動(dòng)

8?11?4時(shí)鐘的周期間抖動(dòng)

8?11?5時(shí)鐘抖動(dòng)對同步系統(tǒng)的影響

8?11?6時(shí)鐘抖動(dòng)對異步系統(tǒng)的影響

8?11?7時(shí)鐘電路的PCB設(shè)計(jì)

8?12眼圖

8?12?1眼圖的構(gòu)成

8?12?2眼圖的參數(shù)

8?12?3眼圖的時(shí)序抖動(dòng)和幅度PDF

8?12?4眼圖的時(shí)序抖動(dòng)和幅度噪聲的相關(guān)性

8?12?5眼圖的應(yīng)用

第9章高速數(shù)字電路的EMI抑制

9?1EMI抑制基礎(chǔ)

9?1?1抑制EMI噪聲(降噪)的基本原理

9?1?2EMI濾波器

9?1?3 dB(分貝)

9?2高速數(shù)字電路的差模輻射與控制

9?2?1差模輻射模型

9?2?2環(huán)路面積控制

9?2?3減少環(huán)路電流

9?3高速數(shù)字電路的共模輻射與控制

9?3?1共模輻射模型

9?3?2共模輻射的控制

9?4數(shù)字電路板的輻射噪聲與控制

9?4?1數(shù)字信號與諧波分量

9?4?2IC電源線的噪聲與控制

9?4?3來自PCB布局的輻射噪聲與控制

9?4?4來自電纜的輻射噪聲與控制

9?4?5屏蔽

9?5數(shù)字系統(tǒng)的輻射噪聲與控制

9?5?1系統(tǒng)中需要進(jìn)行降噪處理的點(diǎn)

9?5?2LCD面板的降噪措施

9?5?3機(jī)箱的降噪措施

9?5?4DC電源線的降噪措施

9?5?5總線上的降噪措施

9?5?6GND的降噪措施

9?5?7USB線上的降噪措施

9?5?8外部插卡的降噪措施

9?5?9DC電源輸入端的降噪措施

9?5?10接口電纜端口的降噪措施

9?5?11LVDS電纜連接部分的降噪措施

9?5?12時(shí)鐘線的降噪措施

9?6AC電源線的降噪處理

9?6?1AC電源線上存在差模噪聲與共模噪聲

9?6?2AC電源線降噪處理用的共模扼流線圈

9?6?3AC電源線降噪處理用的混合扼流線圈

9?6?4開關(guān)電源的AC電源線降噪處理措施

第10章高速信令標(biāo)準(zhǔn)

10?1高速信令標(biāo)準(zhǔn)簡介

10?1?1噪聲容限

10?1?2建立時(shí)間和保持時(shí)間

10?1?3最高時(shí)鐘頻率

10?2GTL系列

10?2?1BTL

10?2?2GTL

10?2?3GTLP

10?2?4Intel GTL+和AGTL+

10?2?5GTLP背板設(shè)計(jì)示例

10?3LVDS

10?3?1LVDS標(biāo)準(zhǔn)

10?3?2LVDS信號傳輸

10?3?3LVDS的配置

10?3?4增強(qiáng)型電流驅(qū)動(dòng)的總線LVDS

10?3?5LVDS PCB布線的一般原則

10?3?6LVDS的PCB走線

10?3?7LVDS的PCB過孔

10?4HSTL

10?4?1HSTL的供電電壓和邏輯電平

10?4?2HSTL的輸出緩沖器類型

10?5SSTL

10?5?1SSTL標(biāo)準(zhǔn)

10?5?2SSTL_3

10?5?3SSTL_2

10?5?4SSTL_18

10?6ECL

10?6?1ECL簡介

10?6?2ECL的輸入/輸出結(jié)構(gòu)

10?6?3ECL的端接電路

10?6?4ECL電源和地平面的隔離

10?7CML

10?7?1CML簡介

10?7?2CML驅(qū)動(dòng)器和接收器的連接方式

10?8不同高速信令標(biāo)準(zhǔn)之間的直流耦合

10?8?1LVPECL直流耦合電路

10?8?2LVDS直流耦合電路

10?8?3CML直流耦合電路

10?8?4HSTL直流耦合電路

10?8?5PECL直流耦合電路

10?9不同高速信令標(biāo)準(zhǔn)之間的交流耦合

10?9?1LVPECL交流耦合電路

10?9?2LVDS交流耦合電路

10?9?3CML交流耦合電路

10?9?4HSTL交流耦合電路

10?9?5NECL交流耦合電路

參考文獻(xiàn)