通孔在連接多層PCB的不同層上的走線(xiàn)方面起著導(dǎo)體的作用(印刷電路板)。 在低頻情況下,過(guò)孔不會(huì)影響信號(hào)傳輸。但是,隨著頻率的升高(高于1 GHz)和信號(hào)的上升沿變得陡峭(最多1ns),過(guò)孔不能簡(jiǎn)單地視為電連接的函數(shù),而是必須仔細(xì)考慮過(guò)孔對(duì)信號(hào)完整性的影響。通孔表現(xiàn)為傳輸線(xiàn)上阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),導(dǎo)致信號(hào)反射。 然而,通孔帶來(lái)的問(wèn)題更多地集中在寄生電容和寄生電感上。過(guò)孔寄生電容對(duì)電路的影響主要是延長(zhǎng)信號(hào)的上升時(shí)間并降低電路的運(yùn)行速度。 但是,寄生電感會(huì)削弱旁路電路的作用并降低整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波功能。
1 通孔對(duì)阻抗連續(xù)性的影響 根據(jù)通孔存在和通孔不存在時(shí)的TDR(時(shí)域反射儀)曲線(xiàn),在通孔不存在的情況下確實(shí)發(fā)生明顯的信號(hào)延遲。 在不存在通孔的情況下,向第二測(cè)試孔傳輸信號(hào)的時(shí)間跨度為458ps,而在存在通孔的情況下,向第二測(cè)試孔傳輸信號(hào)的時(shí)間跨度為480ps。因此,通過(guò)引線(xiàn)將信號(hào)延遲22ps。 信號(hào)延遲主要由通孔的寄生電容引起,可通過(guò)以下公式得出: 在該式中,d 2是指焊盤(pán)直徑(mm)在地面上,d 1是指焊盤(pán)通孔的直徑(mm),T為PCB板厚度(mm),εr 參考層的介電常數(shù)C到寄生電容( pF)。 在本討論中,通孔的長(zhǎng)度為0.96mm,通孔直徑為0.3mm,焊盤(pán)的直徑為0.5mm,介電常數(shù)為4.2,涉及上述公式,計(jì)算出的寄生電容約為0.562pF。 對(duì)于電阻為50Ω的信號(hào)傳輸線(xiàn),此過(guò)孔將導(dǎo)致信號(hào)的上升時(shí)間發(fā)生變化,其變化量由以下公式計(jì)算: 根據(jù)上面介紹的公式,由通孔電容引起的上升時(shí)間變化為30.9ps,比測(cè)試結(jié)果(22ps)長(zhǎng)9ps,這表明理論結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間確實(shí)存在變化。
總之,通孔寄生電容引起的信號(hào)延遲不是很明顯。 然而,就高速電路設(shè)計(jì)而言,應(yīng)特別注意在跟蹤中應(yīng)用過(guò)孔的多層轉(zhuǎn)換。 與寄生電容相比,過(guò)孔具有的寄生電感會(huì)導(dǎo)致更多的電路損壞。通孔的寄生電感可以通過(guò)以下公式得出: 在該公式中,L表示通孔的寄生電感(nH),h表示通孔的長(zhǎng)度(mm),d表示通孔的直徑(mm)。 通孔寄生電感引起的等效阻抗可以通過(guò)以下公式計(jì)算得出: 測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間為500ps,等效阻抗為4.28Ω。但是通孔導(dǎo)致的阻抗變化達(dá)到12Ω以上,這表明測(cè)量值與理論計(jì)算值存在極大的差異。 2通孔直徑對(duì)阻抗連續(xù)性的影響根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn),可以得出結(jié)論,通孔直徑越大,通孔的不連續(xù)性就越大。 在高頻,高速PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常將阻抗變化控制在±10%的范圍內(nèi),否則可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。 3焊盤(pán)尺寸對(duì)阻抗連續(xù)性的影響寄生電容對(duì)高頻信號(hào)頻帶內(nèi)的諧振點(diǎn)具有極大的影響,帶寬會(huì)隨著寄生電容而發(fā)生偏移。影響寄生電容的主要因素是焊盤(pán)尺寸,其對(duì)信號(hào)完整性的影響相同。因此,焊盤(pán)直徑越大,阻抗不連續(xù)性就會(huì)越強(qiáng)。 當(dāng)焊盤(pán)直徑在0.5mm至1.3mm范圍內(nèi)變化時(shí),由通孔引起的阻抗不連續(xù)性將不斷減小。當(dāng)焊盤(pán)尺寸從0.5mm增加到0.7mm時(shí),阻抗將具有相對(duì)較大的變化幅度。隨著焊盤(pán)尺寸的不斷增加,通孔阻抗的變化將變得平滑。因此,焊盤(pán)直徑越大,通孔引起的阻抗不連續(xù)性越小。
4通過(guò)信號(hào)的返回路徑返回信號(hào)流的基本原理是,高速返回信號(hào)電流沿最低電感路徑流動(dòng)。由于PCB板包含一個(gè)以上的接地層,因此返回信號(hào)電流直接沿著信號(hào)線(xiàn)下方最靠近信號(hào)線(xiàn)的接地層的一條路徑流動(dòng)。當(dāng)所有信號(hào)電流從一個(gè)點(diǎn)流到另一點(diǎn)時(shí)都沿著同一平面流動(dòng)時(shí),如果信號(hào)通過(guò)通孔從一個(gè)點(diǎn)流到另一個(gè)點(diǎn),那么當(dāng)接地時(shí),返回信號(hào)電流將不會(huì)跳躍。 在高速PCB設(shè)計(jì)中,可以通過(guò)信號(hào)電流提供返回路徑,以消除阻抗失配。圍繞過(guò)孔,接地過(guò)孔可以設(shè)計(jì)成為信號(hào)電流提供返回路徑,并在信號(hào)過(guò)孔和接地過(guò)孔之間產(chǎn)生電感環(huán)路。即使由于過(guò)孔的影響而導(dǎo)致阻抗不連續(xù),電流也將能夠流向電感環(huán)路,從而改善信號(hào)質(zhì)量。 5通孔的信號(hào)完整性S參數(shù)可用于評(píng)估通孔對(duì)信號(hào)完整性的影響,表示通道中所有成分的特性,包括損耗,衰減和反射等。根據(jù)本文利用的一系列實(shí)驗(yàn),表明接地通孔能夠減小傳輸損耗,并且在通孔周?chē)纬筛嗟慕拥赝?,傳輸損耗將更低。通過(guò)在過(guò)孔周?chē)砑咏拥乜卓梢栽谝欢ǔ潭壬蠝p少過(guò)孔引起的損耗。
6結(jié)論結(jié)論一 通孔引起的阻抗不連續(xù)性受通孔直徑和焊盤(pán)尺寸的影響。通孔直徑和焊盤(pán)直徑越大,引起的阻抗不連續(xù)性將越嚴(yán)重。通孔引起的阻抗不連續(xù)性通常會(huì)隨著焊盤(pán)尺寸的增加而減小。 結(jié)論二 添加接地通孔可以明顯改善通孔阻抗不連續(xù)性,可以將其控制在±10%的范圍內(nèi)。此外,添加接地通孔還可以明顯提高信號(hào)完整性。
責(zé)任編輯:xj
原文標(biāo)題:通孔的阻抗控制對(duì)PCB信號(hào)完整性會(huì)觸發(fā)什么樣的影響?
文章出處:【微信公眾號(hào):FPGA設(shè)計(jì)論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
-
pcb
+關(guān)注
關(guān)注
4296文章
22781瀏覽量
393432 -
阻抗
+關(guān)注
關(guān)注
17文章
922瀏覽量
45698 -
通孔
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
45瀏覽量
11442
原文標(biāo)題:通孔的阻抗控制對(duì)PCB信號(hào)完整性會(huì)觸發(fā)什么樣的影響?
文章出處:【微信號(hào):gh_9d70b445f494,微信公眾號(hào):FPGA設(shè)計(jì)論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論