电容自谐振频率与信号完整性
由于电容器的自谐振频率，这些电容器中的任何一个都可以作为谐振器
许多设计人员在为pcb选择电容器时态度漫不经心。有时，电容器的尺寸不适合适当的供电电压，如果电容器上的电势超过额定值，就会损坏电容器。在其他情况下，设计人员会考虑电源电压，但他们不会考虑电容器必须持有的总电荷，以完成补偿电路某些部分电流波动的工作。
随着越来越多的系统以更高的频率和开关速度运行，电容器的设计和选择变得更加重要。电容器自谐振频率导致你的电容器停止像一个真正的电容器，并开始表现得更像一个电感在高频。这一重要影响在低频时不明显，但在高频时，它成为与信号完整性、功率完整性和阻抗匹配相关的主要问题。
理想电容器与实际电容器
电容器的理想模型可以从麦克斯韦方程中推导出来，定义一个有两个无限大的完美导电板的模型。电荷密度被定义在一个板上，在另一个板上诱导一个相等且相反的电荷密度。两块平板被介电常数已知的介电介质隔开，你可以根据高斯定律计算出两块平板之间的电场。通过积分，你可以很容易地计算出两个板块之间必须存在的电位差。这允许你定义简单的方程Q=CV。你也可以使用图像的方法来做到这一点。
对于更复杂的电容器，如pcb中发现的圆板电容器，您仍然可以使用图像的方法手工计算理想电容值。虽然这两种主要的方法可以用来确定理想电容，但它们完全忽略了电容器在实际电路中的行为，包括在电路板中。
由于电容器中引线的电阻，与理想电容器串联存在少量电阻，称为有效串联电阻(ESR)。电容器内部导体的几何形状也提供了与理想电容器串联的少量电感，称为有效串联电感(ESL)。最后，由于电介质不是完美的绝缘体，在电容器内部的两块板之间有一些非常大的泄漏电阻。由于这三种寄生效应，一个真正的电容器实际上是一个RLC网络，如下面的电路所示。
确定电容器自谐振频率的RLC模型
C值可以作为元件数据表中引用的电容值。漏阻是指任何电容器在充电并随后从电路中取出后发生的瞬态漏电。这个值通常足够大，在连续驱动的电路中可以忽略它。
值得注意的是，自共振频率不等于ESL*C的平方根倒数，这只有在没有阻尼的情况下才成立。虽然ESL和ESR都倾向于相当小，阻尼常数在一个真正的电容器等于ESR/(2*ESL)，这意味着阻尼可以是可观的，特别是在面积较大的平板电容器。执行时必须考虑到这一点涉及真实电容器模型的仿真，它决定了电容器如何响应电源总线上的补偿振铃。
确定电容器自谐振频率
由于真正的电容器实际上是串联RLC电路，只要知道泄漏电阻、ESR和ESL，就可以使用SPICE模型轻松确定电容器的自谐振频率。数据表中引用的电容值可作为RLC网络中的C。在主动驱动的电路中，漏电电阻通常大到可以忽略不计，当电容器充电到足够高的直流电压时，可以安全地忽略漏电电阻。电容自谐振频率可以从低MHz值到GHz值。
在测量中，使用扫频和示波器测量输出，可以很容易地确定特定电容器的阻抗谱。你也可以用矢量网络分析仪轻松做到这一点。然后，您可以通过在一个简单的测试电路中测量瞬态阻尼率和电容器的谐振频率来计算ESL和ESR值。
模拟模拟与真正的电容器和电感
正如电容器有自谐振频率一样，电感器也有自谐振频率。这意味着真正的电感器也应该被建模为它们自己的RLC网络。在特定频率下，你会发现电感器的阻抗谱在高频值上会有一个峰值，这取决于等效电感器模型中的寄生电容、寄生衬底电导和ESR。
作为这些因素如何影响信号完整性的一个例子，考虑使用无阻尼LC振荡器网络高频模拟电路中的阻抗匹配(例如，单波段天线)。你通常设计网络它有一个特定的阻抗值在LC振荡器的谐振频率(等于LC固有频率)，这等于电路元件的驱动频率。电容和电感的实际性能会导致LC振荡器的实际谐振频率偏离理想设计值。在网络阻抗谱中甚至可能存在多个共振或反共振峰。这也会影响匹配网络的带宽。
两个不同电容器的自共振。(左)电容在隔离测试时产生的自谐振频率。(右)真实电路中由于电容器自共振而产生的共振和反共振峰。
对于射频放大器或天线等需要特定阻抗匹配的电路元件，您应该注意不需要的高频谐振和反谐振不在天线或放大器的带宽范围内。网络的带宽也应该大于电路元件的带宽。一般来说，你无法避免在LC匹配网络中产生这些高阶谐振/反谐振，但你可以仔细选择元件并设计网络，使这些不希望出现的谐振/反谐振不在电路元件的带宽范围内。
作为阻抗匹配的一部分，与运行在非常高的频率下的非线性电路，以及一般的其他非线性电路，您可以确定您需要使用的正确阻抗值load-pull分析在跨越整个电路带宽的多个频率上。这允许您在整个电路带宽的多个频率上确定给定输入功率值的适当阻抗匹配。对于线性电路，例如天线和在线性状态下运行的有源电路，您可以使用交流扫频在不考虑输入功率的情况下，确定匹配网络的阻抗谱。
一些设计人员可能试图通过平行放置两个具有不同自谐振频率的电容器来补偿旁路或去耦电容器的自谐振频率。这实际上是不建议的，因为你会无意中创建一个谐振振荡器，它会在高频下强烈辐射，并影响电路中的阻抗匹配。这也可以造成严重破坏，如果你这样做，试图提供电源轨道上的解耦，因为当多个电路同时驱动时，有可能在电源总线上诱导强大的振铃。在选择旁路/去耦电容器时，一定要记住电容器的自谐振频率。
如果您需要检查电容器自谐振频率如何影响实际电路，则PCB设计和分析软件包括许多模拟，你可以用来检查你的设计中的功率和信号完整性。的SI/PI分析集成解决方案PCB设计包裹以Allegro PCB Designer凯蒂丝也吃饱了分析工具套件直接从设计数据轻松执行重要的功率和信号完整性模拟，提供电路行为的全面视图。
如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．