在电子电路中,电容对信号上升沿有着不可忽视的影响。下面我们将详细探讨负载电容(IO 电容)以及线路中途容性负载对信号上升沿的具体影响。
任何芯片的 IO 都存在输入电容,一般约为 2pf,再加上寄生电容,大约为 3pf。这个电容可看作负载电容,当高速信号在该电容上建立电压时,就相当于给电容充电。电容的充电公式为:

其中,V0 是电容初始电压,Vu 是充满后的电压值。假设 V0 = 0V,那么上述公式可简化为:

当 t = RC 时,Vt = 0.63Vu;当 t = 2RC 时,Vt = 0.86Vu;当 t = 3RC 时,Vt = 0.95Vu;当 t = 4RC 时,Vt = 0.98Vu;当 t = 5RC 时,Vt = 0.99Vu。
我们平时所说的时间常数 τe 是指电容两端电压从 0V 上升到 1 - 1/e = 1 - 37% = 63% 所需的时间(e = 2.71828),即:

利用上述公式,可计算出信号上升时间从 10% 到 90% 所需要的时间为:

若传输线阻抗为 50Ω,Cin = 3pf,则 τ10 - 90 = 0.33ns。当信号的上升时间小于 0.33ns 时,电容的充放电效应会对信号的上升时间产生影响;当信号的上升时间大于 0.33ns 时,该电容会使信号上升时间增加约 0.33ns。负载电容对信号上升沿的直接影响便是延长了上升时间,如下图所示:
测试焊盘、过孔、封装引线或者连接到互连线中途的短桩线等,都存在寄生电容,这些寄生电容相当于容性负载,通常为 pf 级别。
假设这些容性负载导致阻抗突变为 25Ω,那么当信号传输到此处时,会有负的信号被反射,使得入射信号降低。当信号到达负载端后返回,在该点又会有负的信号返回到负载端。从波形上看,会出现信号幅度下降、下冲、振铃以及上升时间增加等现象。
假设上升沿是线性的,dV/dt = V/Tr。如果 C 很小,则 Zcap 很大,若远远大于 50Ω,那么与传输线的阻抗并联时,几乎不会影响整个传输线阻抗。若 Zcap 的值与传输线相当,它与传输线 50Ω 并联后,会形成比 50Ω 小的阻抗,从而引起信号完整性问题。
经验法则表明,当 Zcap > 5x50Ω 时,就不会引起信号完整性问题。将其带入上述公式可得:

即:

假设上升时间是 1ns,则允许的电容量为 4pf;如果上升时间是 0.25ns,则允许的电容量是 1pf。
容性突变对信号上升时间的影响有一个经验公式:对于 50Ω 传输线,2pf 容性突变会使传输信号的 10 - 90% 上升时间增加约 50x2pf = 100ps,50% 门限的延迟累加约为 0.5x50x2pf = 50ps。50% 门限的延迟被称为延迟累加,用它来衡量电容突变对延迟的影响更为准确。下面的仿真结果基本能与该经验公式相吻合:
要想降低电容突变对信号上升沿的影响,若无法降低电容,就只能降低传输线阻抗了。