原创 PCB设计中通孔的阻抗控制及其对信号完整性的影响

2020-10-15 18:55 344 3 3 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

通孔在连接多层PCB的不同层上的走线方面起着导体的作用(印刷电路板)。在低频情况下,过孔不会影响信号传输。但是,随着频率的升高(高于1 GHz)和信号的上升沿变得陡峭(最多1ns),过孔不能简单地视为电连接的函数,而是必须仔细考虑过孔对信号完整性的影响。通孔表现为传输线上阻抗不连续的断点,导致信号反射。然而,通孔带来的问题更多地集中在寄生电容和寄生电感上。过孔寄生电容对电路的影响主要是延长信号的上升时间并降低电路的运行速度。但是,寄生电感会削弱旁路电路的作用并降低整个电源系统的滤波功能。

通孔对阻抗连续性的影响

根据通孔存在和通孔不存在时的TDR(时域反射仪)曲线,在通孔不存在的情况下确实发生明显的信号延迟。在不存在通孔的情况下,向第二测试孔传输信号的时间跨度为458ps,而在存在通孔的情况下,向第二测试孔传输信号的时间跨度为480ps。因此,通过引线将信号延迟22ps。

信号延迟主要由通孔的寄生电容引起,可通过以下公式得出:

在该式中,2是指焊盘直径(mm)在地面上,1是指焊盘通孔的直径(mm),TPCB板厚度(mm),εr 参考层介电常数C到寄生电容( pF)。

在本讨论中,通孔的长度为0.96mm,通孔直径为0.3mm,焊盘的直径为0.5mm,介电常数为4.2,涉及上述公式,计算出的寄生电容约为0.562pF。对于电阻为50Ω的信号传输线,此过孔将导致信号的上升时间发生变化,其变化量由以下公式计算:

根据上面介绍的公式,由通孔电容引起的上升时间变化为30.9ps,比测试结果(22ps)长9ps,这表明理论结果和实际结果之间确实存在变化。

总之,通孔寄生电容引起的信号延迟不是很明显。然而,就高速电路设计而言,应特别注意在跟踪中应用过孔的多层转换。

与寄生电容相比,过孔具有的寄生电感会导致更多的电路损坏。通孔的寄生电感可以通过以下公式得出:

在该公式中,L表示通孔的寄生电感(nH),h表示通孔的长度(mm),d表示通孔的直径(mm)。通孔寄生电感引起的等效阻抗可以通过以下公式计算得出:

测试信号的上升时间为500ps,等效阻抗为4.28Ω。但是通孔导致的阻抗变化达到12Ω以上,这表明测量值与理论计算值存在极大的差异。

通孔直径对阻抗连续性的影响

根据一系列实验,可以得出结论,通孔直径越大,通孔的不连续性就越大。在高频,高速PCB设计过程中,通常将阻抗变化控制在±10%的范围内,否则可能会产生信号失真。

焊盘尺寸对阻抗连续性的影响

寄生电容对高频信号频带内的谐振点具有极大的影响,带宽会随着寄生电容而发生偏移。影响寄生电容的主要因素是焊盘尺寸,其对信号完整性的影响相同。因此,焊盘直径越大,阻抗不连续性就会越强。

当焊盘直径在0.5mm至1.3mm范围内变化时,由通孔引起的阻抗不连续性将不断减小。当焊盘尺寸从0.5mm增加到0.7mm时,阻抗将具有相对较大的变化幅度。随着焊盘尺寸的不断增加,通孔阻抗的变化将变得平滑。因此,焊盘直径越大,通孔引起的阻抗不连续性越小。

通过信号的返回路径

返回信号流的基本原理是,高速返回信号电流沿最低电感路径流动。由于PCB板包含一个以上的接地层,因此返回信号电流直接沿着信号线下方最靠近信号线的接地层的一条路径流动。当所有信号电流从一个点流到另一点时都沿着同一平面流动时,如果信号通过通孔从一个点流到另一个点,那么当接地时,返回信号电流将不会跳跃。

在高速PCB设计中,可以通过信号电流提供返回路径,以消除阻抗失配。围绕过孔,接地过孔可以设计成为信号电流提供返回路径,并在信号过孔和接地过孔之间产生电感环路。即使由于过孔的影响而导致阻抗不连续,电流也将能够流向电感环路,从而改善信号质量。

通孔的信号完整性

S参数可用于评估通孔对信号完整性的影响,表示通道中所有成分的特性,包括损耗,衰减和反射等。根据本文利用的一系列实验,表明接地通孔能够减小传输损耗,并且在通孔周围形成更多的接地通孔,传输损耗将更低。通过在过孔周围添加接地孔可以在一定程度上减少过孔引起的损耗。

根据上述内容可以得两个结论
1通孔引起的阻抗不连续性受通孔直径和焊盘尺寸的影响。通孔直径和焊盘直径越大,引起的阻抗不连续性将越严重。通孔引起的阻抗不连续性通常会随着焊盘尺寸的增加而减小。
2添加接地通孔可以明显改善通孔阻抗不连续性,可以将其控制在±10%的范围内。此外,添加接地通孔还可以明显提高信号完整性。 

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