過孔對信號的影響

一、過孔的寄生電容

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，PCB板的厚度為T，板基材介電常數為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，對于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內徑為10Mil，焊盤直徑為20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區的距離為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=1.41x4.4x0.050x0.020/（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）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps。從這些數值可以看出，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，但是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。

二、過孔的寄生電感

同樣，過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數字電路的設計中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，減弱整個電源系統的濾波效用。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=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+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。

三、高速PCB中的過孔設計

通過上面對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響，在設計中可以盡量做到：

1、從成本和信號質量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔。比如對6-10層的內存模塊PCB設計來說，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好，對于一些高密度的小尺寸的板子，也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。目前技術條件下，很難使用更小尺寸的過孔了。對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗。

2、上面討論的兩個公式可以得出，使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數。

3、電源和地的管腳要就近打過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因為它們會導致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗。

4、PCB板上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

5、在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當然，在設計時還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況，也有的時候，我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。特別是在過孔密度非常大的情況下，可能會導致在鋪銅層形成一個隔斷回路的斷槽，解決這樣的問題除了移動過孔的位置，我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。