在高速或高頻電路板中,PCB中的寄生效應非常明顯,這些寄生電容和寄生電感會引起串擾、EMI、信號完整性等問題。在處理高頻、高速和混合信號PCB時,需要做一些特殊處理,以減小寄生效應對信號的影響。
為了減小寄生電容和電感的影響,我們需要知道它們是怎么產生的,才能對癥下藥。本節(jié)我們先來了解如何計算PCB的寄生電容和寄生電感,然后討論如何減小它們的影響。
PCB上的導體一般有走線和過孔(焊盤、覆銅等都可以等效為走線),二者的結構完全不同,所以我們在討論寄生效應時,需要把這兩種結構分別分析。
1)寄生電容
信號線/焊盤的寄生電容:
我們知道,平板電容器的電容計算公式為:C=ε0*S/d;其中ε0是介電常數,S是相對的兩個平板的面積,d是兩個平板的距離??梢灾?,在介電常數一定的情況下,正對的面積S越大、距離d越小,則電容越大。
由于在PCB的同一層上,信號線與信號線之間等效的正對面積很小,距離相對于相鄰層之間的間距也很大,所以,同一層內的走線之間的寄生電容認為很小可以忽略;把走線覆蓋的面積當作平板電容器的面積,相鄰層的間距作為平板電容器的間距,忽略掉其他因素引起的小電容,寄生電容的產生就可以簡化為平板電容器的電容。
可以如下圖計算:(A為面積、d為與相鄰參考層的間距,例子中K=4.7是把PCB板材的介電常數考慮進去了)
從這個計算公式可以看出,如果想要減小信號線、焊盤的寄生電容,在設計PCB時,一是要減小銅皮覆蓋的總面積;二是要增加層間距(在實際操作時,可以選用層間距大的PCB層疊結構,或者挖空相鄰層的參考面)
過孔的寄生電容:
過孔的寄生電容,不能等效成平板電容器,一般用以下公式計算:
?。ㄆ渲蠨1為過孔的外徑、D2為過孔周圍銅皮挖空部分的圓直徑、T為PCB厚度、εr為板材的相對磁導率)
從以上計算公式可以看出,要想減小過孔的寄生電容,需要使用小孔徑的過孔、加大過孔和銅皮的間距、選用更薄的PCB板材。
2)寄生電感
信號線/焊盤的寄生電感
計算方法如下:(W是線寬、L是線長,H是銅厚)
這個公式看起來比較復雜,實際上,對寄生電感影響最大的是線長L,將L的長度縮短是減小信號線寄生電感的最有效方法。
過孔的寄生電感:
計算方法如下:(h是板厚、D是過孔直徑)
從公式上可以看出,要減小過孔的寄生電感,需要減小板厚、增大過孔直徑。
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