Ёмкость (англ. capacitance, C) — фундаментальное электрическое свойство системы из двух проводящих тел (обкладок), разделённых диэлектриком, характеризующее её способность накапливать электрический заряд (Q) при приложении разности потенциалов (U). Количественно ёмкость определяется соотношением C = Q / U и измеряется в фарадах (Ф). В контексте печатных плат ёмкость проявляется как паразитный (stray capacitance) или преднамеренно созданный параметр между проводниками, слоями или компонентами.
Физическая природа на печатной плате
Ёмкость между элементами платы определяется геометрией и свойствами материалов. Для двух параллельных проводников на одном слое (trace-to-trace capacitance) её величина зависит от длины параллельного участка (L), ширины проводников (W), расстояния между ними (S) и диэлектрической проницаемости материала подложки (εᵣ). Формула для приближённого расчёта паразитной ёмкости (C, пФ) может быть представлена как:
C ≈ (ε₀ × εᵣ × L × W) / S,
где ε₀ — электрическая постоянная (8.854 × 10⁻¹² Ф/м). Между проводящим слоем и плоскостью (plane capacitance) ёмкость рассчитывается по формуле плоского конденсатора: C = (ε₀ * εᵣ * A) / d, где A — площадь перекрытия, d — толщина диэлектрика.
Влияние на проектирование и работу устройства
Паразитная ёмкость оказывает значительное влияние на работу высокоскоростных и высокочастотных цепей. Она вызывает замедление фронтов сигналов (увеличивает время нарастания и спада), приводит к перекрёстным наводкам (crosstalk) между соседними трассами и снижает импеданс (impedance) линий передачи.
При проектировании печатных плат для управления паразитной ёмкостью применяют следующие методы: увеличение расстояния между критичными проводниками, уменьшение длины их параллельного следования, использование материалов с низкой диэлектрической проницаемостью (low-Dk laminate) и оптимизация ширины проводников.
Вместе с тем, распределённая ёмкость между слоями питания и земли (power/ground plane capacitance) используется как встроенный источник для развязки (decoupling) цепей питания микросхем.
Контроль и измерение
В процессе производства и приёмки плат паразитная ёмкость не является прямым объектом контроля, так как она заложена в проект. Однако контроль геометрических параметров (ширины проводников, толщины диэлектрика), которые её определяют, осуществляется в соответствии с требованиями стандартов на проектирование (IPC-2221) и приёмку (IPC-A-600, ГОСТ Р 55693-2013). Для важных устройств может проводиться измерение импеданса линии передачи, которое косвенно подтверждает расчётные ёмкостные параметры.
Источники: Основы теории изложены в учебниках по общей электротехнике и физике. Прикладные аспекты для проектирования печатных плат регламентированы в стандартах: IPC-2141 «Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards», IPC-2221 «Generic Standard on Printed Board Design». Требования к материалам, влияющим на диэлектрическую проницаемость, содержатся в IPC-4101.