PCB技術 - ビアの寄生容量とインダクタンス、およびビアの使用方法

ビアはプリント基板の設計に重要な役割を果たしているが、それに伴う寄生容量と寄生インダクタンスは潜在的な課題を構成し、回路の全体的な性能に顕著に影響する可能性がある。特に高速回路設計では、これらの寄生効果は過小評価されるべきではありません。なぜなら、信号伝送遅延の増加と信号品質の大幅な低下を招くからです。

スルーホールの寄生特性は主に寄生容量と寄生インダクタンスを含む。スルーホールの寄生容量はスルーホールと周囲の接地との間の容量であり、比較的低い周波数では顕著ではないかもしれないが、高速回路にとって過小評価すべきではない。また、寄生インダクタンスは主にスルーホールの構造とレイアウトに由来し、特に信号線が長い場合には寄生インダクタンスの影響がより顕著になる。

高速回路設計において、スルーホールの寄生容量と寄生インダクタンスは信号伝送性能に顕著に影響する。寄生容量は主に信号の上昇時間が長くなり、回路の運転速度が低下するが、寄生インダクタンスはバイパス回路の有効性を弱め、電力系統のフィルタ機能にさらに影響を与える可能性がある。

ビアにおける寄生容量の存在が回路に与える主な影響は、信号の立ち上がり時間を長くし、回路の速度を低下させることである。高速デジタル回路では、信号周波数の上昇（1 GHz以上）に伴い、この遅延がより顕著になり、全体の回路性能に影響を与える。ビアの寄生容量は単純な電気特性だけでなく、その存在により、信号が目標成分に到達する前に遅延するため、設計者は特に注意する必要がある。

寄生インダクタンスは通常、寄生容量よりも回路への影響が大きいと考えられている。ビア内の寄生インダクタンスはバイパスキャパシタを弱め、電力系統全体のフィルタ効果を低下させる。このインダクタンスは、特に高速信号伝送時に信号の位相干渉と振幅の低下を引き起こす。貫通孔の長さと構造を注意深く考慮して、寄生インダクタンスの負の影響を減らす必要がある。

試験結果によると、信号はスルーホールを通過する場合もスルーホールがない場合も著しく遅延する。例えば、スルーホールがない場合、信号が次のテストポイントに伝送されるのに必要な時間は458 psであり、スルーホールがある時間は480 ps、遅延は22 psであり、これはスルーホールの寄生効果を直接示している。スルーホール寄生容量による立ち上がり時間の変化は量子化されており、設計者は高速PCBレイアウトでそれを制御し最適化する必要があることを示している。

ビアの寄生容量とインダクタンスは高速回路設計において無視できない重要な要素である。正しい設計とレイアウトは信号品質を著しく向上させ、回路の安定した動作を確保することができる。将来の設計過程では、高速PCB設計の全体的な能力を絶えず向上させるために、これらの寄生パラメータの影響と最適化対策を引き続き深く研究することが重要である。