PCB中过孔对高速信号传输的影响

　　
　　分析了抄板过孔的等效模型以及其长度、直径变化对高频信号的影响，采用Ansoft HFSS对其仿真验证，提出在高速PCB设计中具有指导作用的建议。
　　在数字系统设计中，随着布线密度与时钟频率的不断提高，信号完整性与电磁兼容等问题愈加突出，这对板级的硬件设计提出更多更高的要求。
　　在多层PCB的高频电路（GHz以上）设计中，不得不考虑导通孔的寄生参数对信号完整性的影响，其效应已成为制约高速板设计的关键因素之一，如处理不当可能会导致整个设计的失败。本文主要根据导通孔的理论模型来仿真其对高速信号传输的影响，并针对高速PCB的导通孔设计提出一些合理的建议。
　　1 导通孔
　　导通孔是PCB抄板上的一个孔，是多层板设计的重要因素，可以用来固定器件和做不同层之间的电气连接。一个典型的导通孔孔主要由三部分组成：孔、孔周围的焊盘区、电源层隔离区，导通孔一般又分为三类：盲孔、埋孔和通孔。
　　盲孔，指位于印制电路板抄板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面内层线路的连接，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。埋孔指位于印制电路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。通孔，孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以一般印制电路板均使用通孔。本文主要对通孔进行分析。
　　2 导通孔模型
　　为进一步对导通孔进行分析，需建立导通孔的等效模型。每个导通孔都含有寄生电容和寄生电感，后者对高频信号的危害远远大于前者。
　　等效模型中的C是寄生电容，L是寄生电感，都可以用公式近似的求解。高频电路中导通孔都会产生对地的寄生电容，导通孔的寄生电容大小近似。
　　（1）式中：C--对地的寄生电容，pF；
　　D1--环绕导通孔的焊盘的直径，m；
　　D2--地平面上间隙孔的直径，m；
　　T --印制电路板的厚度，m；
　　ε r--电路板的相对介电常数。
　　导通孔的寄生电容给电路造成的主要影响是延长了高频信号的上升时间，进而降低了电路的速度。这在高频信号传输时需引起重视。高频电路中导通孔同样会产生寄生串联电感，导通孔的寄生电感大小近似。寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波作用，产生的高阻抗对高频信号已经不能忽略。
　　由公式可知，在相同的抄板材料下，导通孔长度越长，直径越小，寄生参数越大，对高频信号传输的影响越大。下文将使用Ansoft[3]对不同参数的导通孔仿真，以证实根据公式得出的分析结果。