传输线的容性耦合

文摘   科技   2024-10-09 18:55   浙江  

我们通过之前文章的分享,知道了从理论上来说,任何两个相互绝缘的导体都可以看成是一个电容,那么它们之间就会有“位移电流”流过,从宏观上表现出来就是电容的充放电。

举个栗子,在电容的一端增加电压,必然会导致对电容的另一端进行充电(电流流向该端)的效果。同理,对电容的一端降压,则会导致电容另外一端进行放电(电流流出该端)。

进一步来看,我们得到一个结论是:电容一端的电压变化,会导致电容另外一端的电流变化(而非电压变化)。我们在感性认知上对电流敏感度较弱,但对电压的变化较敏感,而且电路设计中大多数是以电压作为判断的标准,所以可以用V=I*R进行转化成更直观的电压。

好,接下来我们来分析传输线之间的容性耦合影响。

容性耦合

两条传输线之间的容性耦合指的是:两条信号路径之间的寄生电容相互作用

如下图所示在动态线上传输一个高电平(上升沿)信号,将会有电流从动态线上通过C12电容不断流向静态线(耦合电流:位移电流,并非有正真的电流从动态线流向了静态线):I12 = C12*ΔV/Tr

我们从耦合电流的公式得知,当信号边沿速率越快,则ΔV/Tr就越大。
那么我们就有个直观的感觉:认为容性耦合电流会随信号边沿时间的减小而变大。即,当信号速率越快(一般情况下,信号速率与边沿时间成反比),那么容性耦合越大。

但这个结论是不对的。

事实上容性耦合噪声总量与上升边沿时间无关!

因为上升边沿时间越小,那么存在ΔV/Tr的耦合区域的电容就越小:信号边沿所对应的传输线长度越短,根据平板电容公式:C=ε0*εr*A/d,A是面积,跟长度成正比。所以电容容值的减小与信号边沿时间的增加刚好相互抵消。

因此我们可以得到容性耦合电流只与单位长度互容(Cm)相关

I12 = C12*ΔV/Tr 

= Cm*v*Tr*V/Tr= Cm * ν * V

其中,ν:光速。

好,我们来看传输线容性耦合的具体分析:

1,容性耦合的瞬间电流,在静态线上有两个方向可以传递:(1)远端:动态线终端,即前向。(2)近端:动态线源端,即后向。

对于静态线来说远端和近端的阻抗是一样的(都是特征阻抗:50Ω),因此流向两端的电流相等,耦合的能量也相同:P=I*I*R。如下图所示,其远端和近段的耦合总面积相同。

如上图所示,当信号从源端传输至终端,在整个过程中静态线近端和远端所受到的电流耦合总面积相同,只是一个扁平,另一个是脉冲信号

远端耦合和近端耦合两者的波形不同,是因为远端耦合与信号传输同向,所以耦合会被不断叠加从而产生脉冲干扰电压。而近端耦合与信号传输反向相反,所以耦合信号从时间上是分离开的,从而产生一个扁平的干扰电压。如下图所示。

2,互容远端耦合脉冲类似输入信号的导数,随着平行走线长度的增加而变大,而近段干扰是扁平电平信号,它们的极性都是正的。

如下图所示,因为当动态线信号由低变高时,静态线会通过耦合电容Cm对动态线进行充电操作,所以在静态线的该区域形成高电平干扰

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