過孔(via)是多層電路板的重要組成部分之一,鉆孔的費用通常占電路板制板費用的30%到40%。簡單的說來,電路板上的每一個孔都可以稱之為過孔。今天講解下電路板過孔寄生特性。
過孔的寄生特性分為寄生電容和寄生電感兩部分:
1、寄生電容
過孔本身存在著對地的寄生電容,如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,電路板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)。過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間,降低了電路的速度。
舉例來說,一塊厚度為50Mil的電路板,如果使用內(nèi)徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:
C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF
這部分電容引起的上升時間變化量為:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2×0.517x(55/2)=31.28ps
從這些數(shù)值可以看出,盡管單個過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但如果走線中多次使用過孔進行層間的切換,設計者還是要慎重考慮的。
2、寄生電感
過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑。
從公式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:
L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信號的上升時間是1ns,那么其等效阻抗大小為:
XL=πL/T10-90=3.19Ω
這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。