硬件工程师经典面试题（16）：为什么交流信号可以通过电容器？

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Hello，大家好，首先解答一些粉丝的疑惑：新出版的全彩新书《高速数字设计》（基础篇）只有240页，能讲些什么东西呢？其他同类书基本都比这本书更厚！

偶之前早就提过：书本越厚，知识点越多，并不意味着知识体系就越全。图书展现的知识体系并不仅仅是大量知识的简单集合，关键在于其中是否存在一种“能够揭示知识之间（或知识与实践之间）关联的”核心思想，并让读者在思路上有所启发。换句话说，一本书真正有价值的部分应该是作者深刻（或独到）的理解。

偶之前也经常提过：图书篇幅是宝贵的资源，必须有效地利用（好钢必须用在刀刃上）！如果只是烂大街知识（对于“高速数字设计”来说，这些知识包括但不限于50欧姆特性阻抗的历史，各种PCB传输线计算公式，各种经验法则，各种数学公式的推导等等）的简单整理，《基础篇》别说240页，420页也没跑儿，但我从不认为这些纯粹知识性的东西对“透彻理解与掌握信号完整性与高速PCB设计”有多少实用价值，它们的缺席也完全不影响主题的完整阐述。如果你真想了解这些烂大街知识，网上到处都是，用AI获取更方便也很容易，但它们没有多少价值，因为很有价值的东西往往具备一定的稀缺性，获取过程也有一定的难度。

（当然，这里所说的“没有价值”，并不是指绝对意义上的[不存在“绝对意义上没有价值的东西”，存在即是合理]，而是对于“透彻理解与掌握信号完整性与高速PCB设计”没什么用。例如，你想开发一个计算各种传输线阻抗的小软件，那么相关的传输线阻抗计算公式就是有价值的）

我都半只脚快踏进棺材了，就是想在死之前多出几本书把自己的想法（或思路，或领悟）落成铅字留个念想，没那么多闲功夫拿这些陈芝麻烂谷子凑篇幅（也浪费读者的米）。对于《高速数字设计》一书，我就想通过“前人未曾使用（或想到）的独有思路”透彻阐述信号完整性与高速PCB设计的核心（其中包括很多同类图书“未涉及或一笔带过语焉不详”但却至关重要的细节），并在此基础上用一个点（或一条线）将所有知识联系起来。换句话说，我要的是著书，而不是编书（编就是将现有知识整理起来，门槛比较低，可以完全没有编者的见解，但这对我来说毫无意义）。

如果真正想透彻理解与掌握“信号完整性与高速PCB设计”，核心的真正价值远比那些看似“高大上”的经验法则要大得多，对理解（或解决）实际工程问题也更加有效，因为所有应用层面的知识、经验或问题都是从核心扩展出来的，没有例外。换句话说，“透彻理解核心”能够让你以俯视的高度看待那些所谓的“经验法则”，也对“轻松理解应用层面的海量问题”有着事半功倍的效果。

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言归正传，今天我们讨论一个似乎老掉牙的问题：

为什么交流信号可以通过电容器？

有些人可能会脱口而出：因为电容器有“隔直通交”的特性呀？这种问题也用来面试，瞧不起谁丫？这种公司八抬大轿我都不会去。

但是，将“隔直通交”作为答案不就等于没有回答吗？这样，我问一下：为什么电容器能够“通交”呢？这不就是刚刚提到的面试题吗？你只不过用一个包装后的问题回答同一个问题，只不过自己没有察觉而已！惊不惊喜？意不意外？

咱们一起来简单看看到底是怎么回事吧！我们知道，对于一个理想的电容器而言，仅在其两端施加交流电压时才会产生电流。那么，为什么两个互相不接触的平行板之间会存在电流呢？其实答案很简单，它源于一个几乎所有初高中生都知道的一个基础知识：电流是由电荷的定向运动而形成。

当交流电压施加在电容器两端时，电容器会不断地进行充电与放电，电荷就会不断在闭合回路中做定向运动，继而形成了电流，如下图所示：

 

也就是说，“通交”不是指电荷穿过了平行板，而是在电容器充放电过程中表现出来的效果。值得一提的是，“由电容器充放电形成的电流”对应着一个专用术语，即位移电流（displacement current），它最早是由大名鼎鼎的麦克斯韦提出来的，学过“电磁学”的朋友对其绝对不会陌生。

 

以上文字与图片部分节选自全彩新书《高速数字设计》第24章《传输线上的信号衰减：不患寡而患不均》，其中从趋肤效应与位移电流的角度获得一个结论：“有损传输线影响高速数字系统的根本原因”并不是损耗本身大小，而是损耗随频率的非线性/不均衡（不患寡而患不均）。也正因为如此，在第25章《优化信号的衰减：损有余而补不足》中才会有“损有余而补不足”的解决方案，也就是目前高速数字系统中广泛使用的信道均衡（Channel Equalization）技术，受限于篇幅不再赘述。

原文地址https://mp.weixin.qq.com/s/z6mJSX92nIEXtz0kCcKcog

 

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