寄生電感簡(jiǎn)介
寄生電感一半是在PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)所要考慮的。
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。
寄生元件危害最大的情況
印刷電路板布線產(chǎn)生的主要寄生元件包括：寄生電阻、寄生電容和寄生電感。例如：PCB的寄生電阻由元件之間的走線形成；電路板上的走線、焊盤和平行走線會(huì)產(chǎn)生寄生電容；寄生電感的產(chǎn)生途徑包括環(huán)路電感、互感和過(guò)孔。當(dāng)將電路原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際的PCB時(shí)，所有這些寄生元件都可能對(duì)電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對(duì)最棘手的電路板寄生元件類型―寄生電容進(jìn)行量化，并提供一個(gè)可清楚看到寄生電容對(duì)電路性能影響的示例。
圖1在PCB上布兩條靠近的走線，很容易產(chǎn)生寄生電容。由于這種寄生電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化會(huì)在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)。
基于DDS的寄生電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)
實(shí)際電容由于制造的工藝導(dǎo)致本身存在寄生電感和寄生電阻，其等效電路模型如圖1所示。
其中C為實(shí)際電容本身的標(biāo)稱電容，L是其寄生電感，Rp是其并聯(lián)等效電阻，Rs是其串聯(lián)等效電阻。寄生電阻會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)電容的信號(hào)造成衰減，但不會(huì)影響電容本身的頻率特性。寄生電感會(huì)與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，會(huì)使實(shí)際的電容在某個(gè)頻率上發(fā)生諧振，這種現(xiàn)象稱為電容的自諧振。
電容的寄生電感產(chǎn)生原因或產(chǎn)生方式
電容器的寄生電感一般是由器件的電極和引線的殘余電感引起的，其電感值不會(huì)隨頻率變化，但由電感引起的等效阻抗會(huì)隨頻率增加而增大，如Z=2pai*f*L。
電容為什么有寄生電感，主要是電容體的卷曲結(jié)構(gòu)帶來(lái)的電感，其次是引腳電感。無(wú)論是有極性還是無(wú)極性電容，為了獲得較大的容值，都需要制作非常大的面積，而為了壓縮體積，就要降很大的面積反復(fù)卷曲折疊，這個(gè)卷曲折疊的結(jié)構(gòu)是電容等效電感的主要來(lái)源。
拆開(kāi)一個(gè)薄膜電容，里面是一個(gè)塑料薄膜，兩側(cè)鍍有金屬，形成了平板電容器。然后卷成一個(gè)小卷，塞到電容外殼里，引出兩個(gè)引腳。任何導(dǎo)體都會(huì)有電感，引腳也不例外，引腳越長(zhǎng)，帶來(lái)的電感越多。
PCB過(guò)孔的寄生電容和電感的計(jì)算
CB過(guò)孔本身存在著寄生電容，假如PCB過(guò)孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2，PCB過(guò)孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，基板材介電常數(shù)為ε，則PCB過(guò)孔的寄生電容數(shù)值近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）PCB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，降低了電路的速度尤其在高頻電路中影響更為嚴(yán)重。舉例，對(duì)于一塊厚度為50Mil的PCB，如果使用的PCB過(guò)孔焊盤直徑為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PCB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)PCB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PCB過(guò)孔進(jìn)行層間的切換，就會(huì)用到多個(gè)PCB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PCB過(guò)孔和鋪銅區(qū)的距離（Anti-pad）或者減小焊盤的直徑來(lái)減小寄生電容。
PCB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，PCB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)PCB過(guò)孔近似的寄生電感：L=5.08h［ln（4h/d）+1］其中L指PCB過(guò)孔的電感，h是PCB過(guò)孔的長(zhǎng)度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，PCB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PCB過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出PCB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)PCB過(guò)孔，這樣PCB過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。
PCB過(guò)孔的寄生電容和電感的使用
通過(guò)上面對(duì)PCB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PCB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PCB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PCB過(guò)孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的PCB過(guò)孔，比如對(duì)于電源或地線的PCB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PCB過(guò)孔。當(dāng)然隨著PCB過(guò)孔尺寸減小，相應(yīng)的成本也會(huì)增加。
2．有以上兩個(gè)公式得出，薄的PCB板有利于減小PCB過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)。
3．在PCB設(shè)計(jì)中PCB上的信號(hào)走線盡量在同一層面上，以減少PCB過(guò)孔產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。
4．在信號(hào)換層的PCB過(guò)孔附近放置一些接地的PCB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PCB過(guò)孔。
5．電源和地的管腳要就近打過(guò)孔，PCB過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好?？梢钥紤]并聯(lián)打多個(gè)PCB過(guò)孔，以減少等效電感。
6．對(duì)于密度較高的高速PCB板，可以考慮使用微型PCB過(guò)孔