過(guò)孔的寄生電容和電感及如何使用過(guò)孔
一、過(guò)孔的寄生電容和電感
過(guò)孔本身存在著寄生的雜散電容，如果已知過(guò)孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1,PCB板的厚度為T(mén),板基材介電常數(shù)為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于：
C=1.41εTD1/(D2-D1)
過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用的過(guò)孔焊盤(pán)直徑為20Mil（鉆孔直徑為10Mils），阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是：
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為：
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過(guò)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(guò)孔進(jìn)行層間的切換，就會(huì)用到多個(gè)過(guò)孔，設(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)增大過(guò)孔和鋪銅區(qū)的距離（Anti-pad）或者減小焊盤(pán)的直徑來(lái)減小寄生電容。
過(guò)孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感：
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
其中L指過(guò)孔的電感，h是過(guò)孔的長(zhǎng)度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過(guò)孔的電感為：
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信號(hào)的上升時(shí)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(guò)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(shí)候需要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔，這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。
二、如何使用過(guò)孔
通過(guò)上面對(duì)過(guò)孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響，在設(shè)計(jì)中可以盡量做到：
1．從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婵紤]，選擇合理尺寸的過(guò)孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過(guò)孔，比如對(duì)于電源或地線的過(guò)孔，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗，而對(duì)于信號(hào)走線，則可以使用較小的過(guò)孔。當(dāng)然隨著過(guò)孔尺寸減小，相應(yīng)的成本也會(huì)增加。
2．上面討論的兩個(gè)公式可以得出，使用較薄的PCB板有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)。
3．PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔。
4．電源和地的管腳要就近打過(guò)孔，過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好。可以考慮并聯(lián)打多個(gè)過(guò)孔，以減少等效電感。
5．在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔，以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地過(guò)孔。
