高速电路中的过孔效应与设计

随着电子设计向更高速度发展，过孔在PCB设计中的重要性日益凸显。在低频应用中，过孔对信号传输的影响可以忽略不计，但当时钟频率提高、信号上升时间缩短时，过孔引起的阻抗不连续性成为影响信号完整性的关键因素。

 

 

 

过孔本质上可以视为由电容、电感和电阻组成的参数模型，其特性可通过场提取工具或TDR测试获得。计算公式计算:

 

 

D2：过孔区直径：inch;

 

 

DI：过孔焊盘直径：inch;

 

 

T：PCB厚度: inch;

 

 

ε：介电常数；

 

 

C：过孔寄生电容：pF

 

 

 

过孔的寄生电容主要受过孔区直径、焊盘直径、PCB厚度和介电常数影响，而寄生电感则主要取决于过孔长度和直径。一般而言，较小的过孔会产生较小的寄生电容.

 

 

h： 过孔长度：inch;

 

 

d： 过孔直径：inch;

 

 

L: 过孔寄生电感：nH

 

 

 

在工程实践中，仿真分析时常将过孔模型近似为1pF电容，TDR测试显示其引起的瞬态阻抗降落约为6-7欧姆。

 

 

过孔对信号传输的负面影响主要表现在以下几个方面：

 

 

1.改变PCB走线的特征阻抗，引入固有电容

 

 

2.造成走线特征阻抗的跳变，导致约5%的负反射系数

 

 

3.使信号在层间跳转时改变参考平面和回流路径

 

 

4.当参考平面发生变化时，可能导致传输线特征阻抗显著改变

 

 

 

对于上升时间在0.5-1.0ns范围的信号，单个过孔造成的几十皮秒边沿变缓影响相对较小，但多个过孔的累积效应不可忽视。过孔还会延长信号传输时间，一个过孔大约会增加几百皮秒的走线延时，对于长走线而言影响较小。

 

 

 

为减轻过孔带来的不良影响，PCB设计中应当尽量减少过孔数量，在布线换层时优先选择阻抗连续的平面进行切换。值得注意的是，对于频率低于1GHz的信号，相比避免过孔，更应优先考虑内层布线以减小辐射影响。

 

 

 

当信号线必须通过过孔跨层布线时，应在信号过孔附近添加地属性过孔，以提供良好的回流路径。对于多层PCB设计，确保地层作为信号回流的主通道至关重要。在敏感信号必须跨层时，理想的做法是对信号线进行包地处理，使包地线与信号线平行且尽可能靠近，从而维持良好的信号完整性。