寄生電感簡介

　　寄生電感一半是在PCB過孔設(shè)計所要考慮的。

　　在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感：

　　L=5.08h［ln（4h/d）+1］其中L指過孔的電感，h是過孔的長度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子，可以計算出過孔的電感為：L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH。如果信號的上升時間是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候需要通過兩個過孔，這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。

　　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、互感和過孔。當(dāng)將電路原理圖轉(zhuǎn)化為實際的PCB時，所有這些寄生元件都可能對電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對最棘手的電路板寄生元件類型―寄生電容進(jìn)行量化，并提供一個可清楚看到寄生電容對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在另一條走線上產(chǎn)生電流信號。

　　基于DDS的寄生電感測量儀設(shè)計

　　實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。寄生電阻會對經(jīng)過電容的信號造成衰減，但不會影響電容本身的頻率特性。寄生電感會與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，會使實際的電容在某個頻率上發(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，其電感值不會隨頻率變化，但由電感引起的等效阻抗會隨頻率增加而增大，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)帶來的電感，其次是引腳電感。無論是有極性還是無極性電容，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，這個卷曲折疊的結(jié)構(gòu)是電容等效電感的主要來源。

　　拆開一個薄膜電容，里面是一個塑料薄膜，兩側(cè)鍍有金屬，形成了平板電容器。然后卷成一個小卷，塞到電容外殼里，引出兩個引腳。任何導(dǎo)體都會有電感，引腳也不例外，引腳越長，帶來的電感越多。

　　PCB過孔的寄生電容和電感的計算

　　CB過孔本身存在著寄生電容，假如PCB過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2，PCB過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，基板材介電常數(shù)為ε，則PCB過孔的寄生電容數(shù)值近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）PCB過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，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，對于一塊厚度為50Mil的PCB，如果使用的PCB過孔焊盤直徑為20Mil（鉆孔直徑為10Mils），阻焊區(qū)直徑為40Mil，則我們可以通過上面的公式近似算出PCB過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PCB過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過孔進(jìn)行層間的切換，就會用到多個PCB過孔，設(shè)計時就要慎重考慮。實際設(shè)計中可以通過增大PCB過孔和鋪銅區(qū)的距離（Anti-pad）或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。

　　PCB過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，PCB過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗公式來簡單地計算一個PCB過孔近似的寄生電感：L=5.08h［ln（4h/d）+1］其中L指PCB過孔的電感，h是PCB過孔的長度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，PCB過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響最大的是PCB過孔的長度。仍然采用上面的例子，可以計算出PCB過孔的電感為：L=5.08x0.050［ln（4x0.050/0.010）+1］=1.015nH如果信號的上升時間是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候需要通過兩個PCB過孔，這樣PCB過孔的寄生電感就會成倍增加。

　　PCB過孔的寄生電容和電感的使用

　　通過上面對PCB過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設(shè)計中，看似簡單的PCB過孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小PCB過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在設(shè)計中可以盡量做到：

　　1．從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的PCB過孔大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的PCB過孔，比如對于電源或地線的PCB過孔，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗，而對于信號走線，則可以使用較小的PCB過孔。當(dāng)然隨著PCB過孔尺寸減小，相應(yīng)的成本也會增加。

　　2．有以上兩個公式得出，薄的PCB板有利于減小PCB過孔的兩種寄生參數(shù)。

　　3．在PCB設(shè)計中PCB上的信號走線盡量在同一層面上，以減少PCB過孔產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。

　　4．在信號換層的PCB過孔附近放置一些接地的PCB過孔，以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地PCB過孔。

　　5．電源和地的管腳要就近打過孔，PCB過孔和管腳之間的引線越短越好?？梢钥紤]并聯(lián)打多個PCB過孔，以減少等效電感。

　　6．對于密度較高的高速PCB板，可以考慮使用微型PCB過孔