寄生效應
在低頻時,一條導線就只是一條導線,一個焊點就只是一個連接。但每一塊真實的金屬其實都帶有一點電感,導體之間的每一道縫隙都帶有一點電容,每一個不完美的接點都帶有一點電阻,不論你有沒有把它們畫在電路圖上。這些不請自來的元件就叫做寄生效應。把它們想成搭便車的乘客,跟著你真正的零件一起出現。在直流和音訊頻段它們小到可以忽略;到了射頻,它們卻會主宰整個電路。
它們為什麼會甦醒?電感的阻抗是 2 times pi times f times L,電容的電抗是 1/(2 times pi times f times C),所以當頻率 f 升高,雜散電感愈來愈重要,而雜散電容會把訊號短路掉。一段短而直的導線,大致每毫米約有 1 奈亨(nH)的電感。在 1 kHz 時這 1 nH 只有 0.0000063 歐姆,完全可以忽略;但在 1 GHz 時,同樣的 1 nH 變成 2 times pi times 10^9 times 10^-9 = 約 6.3 歐姆,突然就跟你在乎的數值同一量級了。一條 5 mm 的電容引腳會跟電容本身共振,使你的旁路電容在某個頻率以上反而變成電感。
寄生效應正是為什麼射頻電路的成敗取決於實體佈局,而不只是電路圖。電路圖可以完美無瑕,板子卻仍然失敗,因為迴路面積太大、地線共用、或某根引腳太長。誠實的說法:寄生效應不是你能消除的瑕疵,只能加以管理。好的射頻設計讓連接短而直接、使用接地層、並選用寄生效應小且可預測的元件,讓這些雜散量成為設計的一部分,而不是意外。
一個 100 nF 的陶瓷旁路電容,加上 4 mm 的引腳與走線,大約有 4 nH 的串聯電感。電容與這段電感在約 8 MHz 附近共振;超過這頻率,這個零件就表現得像電感而不是電容,這正是為什麼射頻板要用極小的表面黏著電容、並緊貼接腳放置。
引腳電感使旁路電容在自我共振頻率以上變成電感。
寄生效應無法移除,只能讓它變小且可預測。在元件的自我共振頻率以上,電容會表現得像電感、電感會表現得像電容,與符號所承諾的恰好相反。