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高速電路中的過孔效應與設計

上海為昕科技有限公司 ? 2025-04-25 19:28 ? 次閱讀

隨著電子設計向更高速度發展,過孔在PCB設計中的重要性日益凸顯。在低頻應用中,過孔對信號傳輸的影響可以忽略不計,但當時鐘頻率提高、信號上升時間縮短時,過孔引起的阻抗不連續性成為影響信號完整性的關鍵因素。


過孔本質上可以視為由電容、電感和電阻組成的參數模型,其特性可通過場提取工具或TDR測試獲得。計算公式計算:

6c538458-21c8-11f0-9434-92fbcf53809c.jpg

D2:過孔區直徑:inch;

DI:過孔焊盤直徑:inch;

T:PCB厚度: inch;

ε:介電常數;

C:過孔寄生電容:pF


過孔的寄生電容主要受過孔區直徑、焊盤直徑、PCB厚度和介電常數影響,而寄生電感則主要取決于過孔長度和直徑。一般而言,較小的過孔會產生較小的寄生電容.

6c725658-21c8-11f0-9434-92fbcf53809c.jpg

h: 過孔長度:inch;

d: 過孔直徑:inch;

L:過孔寄生電感:nH


在工程實踐中,仿真分析時常將過孔模型近似為1pF電容,TDR測試顯示其引起的瞬態阻抗降落約為6-7歐姆。

過孔對信號傳輸的負面影響主要表現在以下幾個方面:

1.改變PCB走線的特征阻抗,引入固有電容

2.造成走線特征阻抗的跳變,導致約5%的負反射系數

3.使信號在層間跳轉時改變參考平面和回流路徑

4.當參考平面發生變化時,可能導致傳輸線特征阻抗顯著改變


對于上升時間在0.5-1.0ns范圍的信號,單個過孔造成的幾十皮秒邊沿變緩影響相對較小,但多個過孔的累積效應不可忽視。過孔還會延長信號傳輸時間,一個過孔大約會增加幾百皮秒的走線延時,對于長走線而言影響較小。


為減輕過孔帶來的不良影響,PCB設計中應當盡量減少過孔數量,在布線換層時優先選擇阻抗連續的平面進行切換。值得注意的是,對于頻率低于1GHz的信號,相比避免過孔,更應優先考慮內層布線以減小輻射影響。


當信號線必須通過過孔跨層布線時,應在信號過孔附近添加地屬性過孔,以提供良好的回流路徑。對于多層PCB設計,確保地層作為信號回流的主通道至關重要。在敏感信號必須跨層時,理想的做法是對信號線進行包地處理,使包地線與信號線平行且盡可能靠近,從而維持良好的信號完整性。

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