负载电容（IO电容）Cin对信号上升沿的影响

负载电容（IO电容）Cin对信号上升沿的影响

任何芯片IO都有输入电容，通常为2pf左右，加上寄生电容，大约3ps。这个电容相当于负载电容，高速信号在这个电容上建立电压，相当于给电容充电，电容的充电公式是：

V0是电容初始电压，Vu充满后的电压值，假设V0=0V。那么上面公式简化为：

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；

我们平时用的时间常数τe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）；

利用上述公式，计算出上升时间10%~90%所需要的时间是：

如果传输线阻抗50Ω，Cin=3pf，则τ10-90=0.33ns。如果信号的上升时间小于0.33ns，电容的充放电效应将会影响信号的上升时间。如果信号的上升时间大于0.33ns，这个电容将使信号上升时间增加越0.33ns

负载电容对信号上升沿的直接影响就是延长了上升时间，如下图：

线路中途容性负载对信号的影响

测试焊盘，过孔，封装引线或者连接到互连线中途的短桩线，都有寄生电容，相当于容性负载。这些容性负载通常是pf级别。

假设这些容性负载导致阻抗突变为25Ω，这导致信号传输到这里，有负的信号被反射，然后入射信号降低。当信号到达负载端后返回，在这个点，又有负的信号返回到负载端。从波形上看就是信号幅度下降，下冲，振铃，上升时间增加。

下面计算一下线路中途负载电容的阻抗：

假设上升沿是线性的dV/dt=V/Tr；

如果C很小，则Zcap很大，如果远远大于50Ω，那么与传输线的阻抗并联，几乎不影响整个传输线阻抗。如果Zcap的值与传输线相当，它与传输线50Ω并联，形成比50Ω小的阻抗，就会引起信号完整性问题。

经验法则是Zcap>5x50Ω，就不会引起信号完整性问题。带入上述公式：

也即是：

假设上升时间是1nf，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：

50Ω传输线，对于2pf容性突变，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%门限的延迟成为延迟累加，用这个衡量电容突变对延迟的影响比较准确。上面的经验公式比较准确，下面是仿真结果，基本能吻合：

要想降低电容突变对信号上升沿的影响，如果电容降低不了，就只能降低传输线阻抗了。

审核编辑 ：李倩