1.2 无源器件的高频特性

电子器件分为两种：实际的和理想的。实际的器件是可测的、实际存在的事物，是构成硬件电路系统的互连线或元件。实际的器件包括PCB上的线条、封装引线或是板上的去耦电容等。

理想器件是特殊的电路元件的数学描述，有详细而精确的定义。仿真器只能仿真理想器件的性能，电路理论的概念和公式也仅适用于理想器件，它是数学模型，如“SPICE”模型。

实际和理想总是有差别的，而差别的大小与适合元件的应用环境有密切的关系。根据设计低速电路的经验，一个电阻可以定义为

电容定义为

电感定义为

而一段金属导线被看做良导体，对信号几乎透明传输。

根据这个经验，使用这个理想模型去设计一个低速电路，不会带来任何问题。但是，如果将这个经验带到高速电路中，将会带来意想不到的问题。

随着时钟速率的升高，其频谱相应的电磁波波长变得可与分立电路元件的尺寸相比拟时，电路上的走线、电阻、电容和电感等这些无源器件的响应开始偏移其理想特性。这时，必须建立这些元件的适用于高速电路的理想模型，根据这样的模型设计出来的电路的实际响应才不会和预想的产生太大的差别。

要建立这种模型，必须了解这些元件和互连结构隐藏的高频特性，下面逐一分析。

1.2.1 金属导线和走线

根据通常的观念，一般不会想到封装引线、跳线和走线会辐射RF能量。事实上，每个元件都有引线电感，从硅胶片的连接导线到电阻、电容器和电感线圈的引线；相互靠近的金属引线之间存在电容；而每条走线都存在寄生的电容和电感，这些寄生元件影响走线的阻抗并且对频率敏感。

在低频段，导线主要呈现电阻特性。一段边长为a，长度为l，电导率为σ的方形导体的电阻为

对于低频信号，传导电流几乎均匀地分布在导体的横截面上。但随着信号频率的升高，电流趋于导体表面，此时一段导体同时表现出电阻和电感特性。

其中，δ为趋肤深度：

那么在高频电路中，导线呈现出的阻抗为

以上只是近似公式，随着频率的升高，导线的寄生电感效应逐渐占主导地位，而且就是这个电感给高速电路带来许多问题。

关于PCB走线的部分，在本书后面章节的传输线部分将进行专门介绍。

1.2.2 电阻

电阻是PCB中最广泛使用的元件，常用的电阻有碳质、绕线和薄膜片状电阻等几种，绕线电阻由于引线电感过大不适于高速的高频电路应用，在高速的高频电路中多用薄膜片状电阻，但它同样存在隐藏的射频特性。如图1-5所示为标称值为R的电阻的高频等效电路。

在如图1-5所示中，L为两个金属引脚的电感；电容Ca为电阻内部的寄生电容；Cb为两个金属引脚间的寄生电容（可忽略）。电阻最容易忽视的两个方面就是封装尺寸和内部寄生电容，封装不同，其寄生参数也不同。一般说来，较小的“SMD”封装的寄生参数较小，比如0603的封装比1206的封装更适合于高速的高频电路。

1.2.3 电容

电容在高速电路中意义重大，电路中的旁路、去耦和滤波都要用到电容，而且其使用还大有学问。在此仅简单介绍其隐藏的射频特性，后面针对具体应用会对其进行详细介绍。图1-6所示为标称值为C的“ATC”多层陶瓷电容的等效电路，RS为等效串联电阻（ESR）；LS为等效串联电感（ESL）；CP为并联寄生电容（可忽略）。

1.2.4 电感和磁珠

电感线圈在电路中不像电阻和电容那样应用广泛，主要用来控制PCB内的“EMI”（电磁骚扰）。电感的感抗是和频率成正比的，感抗为

XL=2πfL

当频率升高时，电感的阻抗增大，可视为开路。如果让一个高速信号通过电感，会造成信号波形的失真，信号质量下降。所以电感线圈的高频特性限制了它只能用于1MHz频率以下，高频下通常采用磁珠代替电感线圈工作。

事实上，高速电路带来的问题并不是实际的电感线圈。如前面讲到，高频电流流过导体时会产生电感。那么，电流在PCB走线及电源/地网络上流动时同样会产生电感。关于信号流经路径的回路电感问题将在后面章节中进行详细讨论。

人们在设计数字电路时，通常会假定元件在时域上只具有单个频率响应，或者在低频下的频率响应。结果无源器件的选择及电路设计是按照低频规范来进行的，而没有考虑这些元件在高次谐波下的频率响应，这就可能带来许多问题。相反，设计者如果了解了这些无源器件的隐藏的高频特性，设计符合信号完整性和电磁兼容性的PCB并不困难。