~為什麼電纜中的電容這麼重要?

 

這個問題簡單回答，答案就是影響傳輸訊號完整性。那是怎樣影響，會有造成什麼問題，以下將從簡單原理來解說。

在電路學中，給一定的電勢差，就會在兩導體間產生儲存電荷的能力，這就所謂的電容（Capacitance），通常標示為C。國際標準單位為法拉（farad），標記為F。兩互相平行導體間包含了介電質隔離，當兩導體含有一正（＋Ｑ）一負（－Ｑ）電荷時，之間的電勢差為V，電容值C就為 。 從這可以看出來，只要兩個導體就會產生電容，以上講的是直流電情況，當遇到傳輸線時候，頻率越高計算的公式也將會不同。

如果從電纜的結構來看，通常都會包含超過兩個以上的導體，從以上電路學的角度來看，這導體間一定會產生一電容，泛指寄生電容（Parasitic Capacitance），當在非直流電路領域中又常稱為雜散電容（Stray Capacitance），雜散電容是寄生電容的一種，寄生電容包含結合電容（Junction Capacitance）,殘留電容（Residual Capacitance）。由於導體間電容的緣故，一個導線能量被這樣的一個電容作用耦合到另外一個導線上，這就稱為電容耦合（Capacitive Coupling）或電場耦合（Electric Field Coupling）。

 

這電容耦合又跟訊號有什麼關係呢?我們知道訊號是藉由輸出端產生脈波傳送到接收端，因此脈波的振幅、相位、形狀對於接收端的解析正確度就很重要。當今資料傳輸速度越來越快，從一秒鐘3～4Hz脈波到1GHz，資料是否可以高速傳輸，取決於數據傳輸正確性，當錯誤一直發生，傳送端就會不斷重複傳送訊號，更慘的是有可能接收不到訊號，因此高速數據脈波損耗與劣化就會決定數據傳輸率。有那些因素會影響傳輸正確性?通常取決於電纜長度與電氣特性。如果輸出訊號降低太多，接收端就無法識別或識別為假訊號。以下顯示脈波從輸入通過電纜後的輸出的差異。

 https://www.quabbin.com/tech-briefs/special-applications-low-capacitance-cables

 

 

上圖可以看到，方波是輸出端想要給接收端的訊號，但是經過電纜後卻變成鋸齒型狀，此時扭曲的數據傳輸。這就是電容耦合所造成的。因為電纜的雜散電容讓放電變慢，因此脈波上升到可辨識電壓時候需要更久時間。所以較低的電容電纜會讓脈波有更完整波形，訊號傳輸有更好的性能。 那如何降低電容?可以由以下三點來設計或選擇電纜。  增加絕緣體厚度  減少導體直徑  使用介電常數較低的絕緣 通常在電纜設計中，電路佈線有規定導體的直徑，如果要求設計22Awg，要降低到28Awg是不可行的；那增加絕緣厚度呢?通常這會增加成本，大小與重量，看來這也太行得通。唯一比較可行的是換絕緣體材質，在真空或空氣中，介電常數為1，即便較差的聚氯乙烯（PVC Polyvinyl Chloride）也有5.0～6.0之間，或者更高，如果換成聚乙烯（PE Polyethylene）其介電常數為2.0，發泡聚丙烯（EPP Expanded Polypropylene）或發泡聚乙烯（EPE Foam Polyethylene）具有更好的介電常數低至1.6。這就是為什麼大多數高頻傳輸電纜芯線大多使用EPP or EPE。

最後我們了解選擇一個好的低電容的電纜對於電子系統的傳輸是非常重要的。

 

那電纜的電容值要多低才行?

如果可以當然是越低越好。不過這要考慮的條件非多，成本有可能增加或者電纜的物理性質下降等。所以幾年前，電纜的電容值大約都是40 or 50 pF/ft，不過那是Kilobit (Kbit)的年代，如今傳輸越來越快，所以電纜的電容值被設定為12 or 13 pF/ft甚至到9pF/ft或更低。

 

 

資料參考：

Introduction to Circuit Analysis and Design 作者：Tildon H. Glisson https://books.google.com.tw/books?id=7nNjaH9B0_0C&pg=PA255&lpg=PA255&dq=parasitic+capacitance+stray&source=bl&ots=bsi7z8i6yq&sig=sScnd8tBjdFMpH54UVyfOIZwcWY&hl=zh-TW&sa=X&ved=0ahUKEwjjy9b_iKPJAhUhKKYKHafQBdMQ6AEIVTAG#v=onepage&q=parasitic%20capacitance%20stray&f=false