印制電路板阻抗精確匹配的通孔設(shè)計(jì)方法

要想保持印制電路板信號(hào)完整性，就應(yīng)該采用能使印制線阻抗得到精確匹配的層間互連（通孔）這樣一種獨(dú)特方法。 隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號(hào)完整性對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行至關(guān)重要。電路板設(shè)計(jì)人員試圖消除高速信號(hào)路徑上的每一個(gè)阻抗失配，因?yàn)檫@些阻抗失配

隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號(hào)完整性對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行至關(guān)重要。電路板設(shè)計(jì)人員試圖消除高速信號(hào)路徑上的每一個(gè)阻抗失配，因?yàn)檫@些阻抗失配會(huì)產(chǎn)生信號(hào)抖動(dòng)并降低數(shù)據(jù)眼的張開(kāi)程度——從而不僅縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲缶嚯x，而且還將諸如SONET（同步光網(wǎng)絡(luò)）或XAUI（10Gb附屬單元接口）等通用抖動(dòng)規(guī)范的余量降到最低程度。

由于印刷電路板上的信號(hào)密度的提高，就需要更多的信號(hào)傳輸層，而且通過(guò)層間互連（通孔）實(shí)現(xiàn)傳輸也是不可避免的。過(guò)去，通孔代表一種產(chǎn)生信號(hào)失真的重要來(lái)源，因?yàn)槠渥杩雇ǔ４蠹s為25~35Ω。這么大的阻抗不連續(xù)性會(huì)使數(shù)據(jù)眼圖的張開(kāi)程度降低3dB，并會(huì)依據(jù)數(shù)據(jù)速率大小而產(chǎn)生大量的抖動(dòng)。結(jié)果，電路板設(shè)計(jì)人員要么嘗試避免在高速線路上使用通孔，要么嘗試采用新技術(shù)，例如鏜孔或盲孔。這些方法雖然有用，但卻會(huì)增加復(fù)雜度并大大提高電路板成本。

可以利用一種新的“類似同軸的”通孔結(jié)構(gòu)來(lái)避免標(biāo)準(zhǔn)通孔出現(xiàn)的嚴(yán)重阻抗失配問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)以一種特殊的配置將接地通孔放置在信號(hào)通孔四周。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的通孔在TDR（時(shí)域反射計(jì)）曲線上顯示阻抗不連續(xù)性低于4%（50±2Ω）和信號(hào)質(zhì)量有所改善。這種新方法產(chǎn)生一個(gè)阻抗可調(diào)的垂直通道。開(kāi)發(fā)人員利用信號(hào)線在中心的簡(jiǎn)單同軸模型產(chǎn)生這種通孔結(jié)構(gòu)；四周的接地屏蔽產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的阻抗。四個(gè)在中心信號(hào)通孔四周排成一圈的接地通孔取代了均勻的接地屏蔽（圖1）。因?yàn)檫@四個(gè)外通孔都連接到印制電路板接地或VDD（電源），所以它們攜帶電荷，而且其中每一個(gè)通孔與信號(hào)通孔之間形成電容。電容量的計(jì)算取決于通孔直徑、介電常數(shù)以及信號(hào)通孔和接地通孔之間的距離。中心通孔的間隙（凹緣）“觸及”外層通孔，所以電容量沿垂直通道均勻分布——防止每一電源平面和接地平面的電容量急劇增加。外側(cè)的接地通孔為信號(hào)返回電流提供路徑，并在信號(hào)通孔和接地通孔之間形成一個(gè)電感回路。

圖1 印制電路板層間互連設(shè)計(jì)的新技術(shù)提供可預(yù)測(cè)的路徑阻抗和改進(jìn)的信號(hào)完整性。

你可以利用簡(jiǎn)單的公式（參考文獻(xiàn)1）計(jì)算出由一個(gè)接地通孔與信號(hào)通孔形成的電容量和電感量。計(jì)算時(shí)，你可以假定這兩個(gè)通孔實(shí)質(zhì)上是兩根直徑相同的導(dǎo)線。D為通孔的直徑，a為信號(hào)通孔和接地通孔之間的中心距。一對(duì)通孔的電感L的計(jì)算公式為：

一對(duì)通孔的電容C計(jì)算公式為：

因?yàn)橹饕?個(gè)通孔構(gòu)成的垂直通道是均勻的，因此一對(duì)通孔的的阻抗Z的計(jì)算公式為：】

公式1計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)雙線系統(tǒng)的電容量。改進(jìn)的通孔結(jié)構(gòu)增加了三個(gè)額外的接地通孔，所以信號(hào)通孔中的正電荷量保持不變，但所有的負(fù)電荷則均勻地分布在四個(gè)接地通孔上。因此，改進(jìn)的通孔結(jié)構(gòu)的總電容量大約與雙線系統(tǒng)的總電容相同。但是，這種通孔模型的電感量則是雙線系統(tǒng)電感量的四分之一，因?yàn)樾盘?hào)通孔與四個(gè)接地通孔之間構(gòu)成了四個(gè)并聯(lián)的電感回路，從而通孔的阻抗Z為：

試驗(yàn)人員在從60密耳厚的6層電路板到130密耳厚的16層電路板上使用FR4 polyclad 370、Getec和Rogers電路板材料，對(duì)這種通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。他們利用TDR測(cè)量和基于CST（計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)）的3-D場(chǎng)測(cè)定儀驗(yàn)證了計(jì)算所得的通孔阻抗。他們推導(dǎo)的公式預(yù)示無(wú)論電路板的厚度如何，阻抗都格外地好（±2Ω），因?yàn)橥椎淖杩构脚c電路板厚度無(wú)關(guān)。表1將計(jì)算獲得的6層62密耳FR4測(cè)試電路板（er=4.1）的阻抗與TDR測(cè)量結(jié)果和基于CST的Microwave Studio 3-D場(chǎng)測(cè)定儀仿真所得的阻抗值進(jìn)行了比較。計(jì)算所得的通孔阻抗與測(cè)量結(jié)果的誤差在±2Ω之內(nèi)。

圖2 黃色波形表示具有常規(guī)通孔的通道的TDR曲線。

綠色波形表示具有阻抗受控通孔的通道的TDR曲線。 TDR曲線是確定通孔阻抗或信號(hào)通道上其它不連續(xù)性的一種好方法。圖2示出了在測(cè)試板的兩個(gè)幾乎相同的通道上測(cè)得的TDR曲線。唯一的差別是，一個(gè)通道具有直徑為14.5密耳、凹緣（間隙）為10密耳的常規(guī)通孔，而另一個(gè)通道

曲線是確定通孔阻抗或信號(hào)通道上其它不連續(xù)性的一種好方法。圖2示出了在測(cè)試板的兩個(gè)幾乎相同的通道上測(cè)得的TDR曲線。唯一的差別是，一個(gè)通道具有直徑為14.5密耳、凹緣（間隙）為10密耳的常規(guī)通孔，而另一個(gè)通道則具有直徑為14.5密耳、中心距離為41密耳的改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)。TDR曲線表明，SMA連接器的阻抗失配在兩種情況下都是相同的。受控阻抗通孔的阻抗大約為52Ω，而常規(guī)通孔的阻抗為48~54Ω。常規(guī)通孔的阻抗匹配比改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)的要差。但是，對(duì)于常規(guī)通孔來(lái)說(shuō)，匹配還是不錯(cuò)的，而且，根據(jù)這一TDR曲線，你應(yīng)當(dāng)預(yù)計(jì)到信號(hào)失真很小。

圖3 這種S21曲線示出了用綠色表示的阻抗受控通孔和用黃色表示的常規(guī)通孔。

TDR測(cè)量的一個(gè)缺點(diǎn)是，測(cè)量結(jié)果是與設(shè)備上升時(shí)間相關(guān)的。它沒(méi)有顯示離散頻率不連續(xù)性的頻率響應(yīng)。一種驗(yàn)證和比較通孔阻抗失配的更好方法是觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21散射參數(shù)。S21曲線示出了特定頻率的信號(hào)是如何通過(guò)傳輸線通道的而其它頻率的信號(hào)是如何被反射或衰減的。圖3示出了TDR測(cè)量中兩個(gè)通道的S21曲線。兩個(gè)通道是相同的，唯一的差別是一個(gè)通道具有改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)（綠色曲線），而另一個(gè)通道具有常規(guī)通孔（黃色曲線）。這種改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)表明頻率響應(yīng)極好，第一諧振出現(xiàn)在大約10 GHz處。另一方面，常規(guī)通孔表明，即使阻抗失配很小，在整個(gè)頻率段內(nèi)仍有多重反射。這些反射導(dǎo)致信號(hào)在某些頻率比其它頻率衰減得更大，因而進(jìn)一步降低了高速信號(hào)的質(zhì)量。

圖4 試驗(yàn)人員開(kāi)發(fā)了一塊既有標(biāo)準(zhǔn)通孔又有改進(jìn)的阻抗通孔的測(cè)試電路板，用以測(cè)量信號(hào)性能。

在這塊測(cè)試板上，SMA連接器和通孔之間的距離大約為1.4英寸，這相當(dāng)于S21曲線上清晰可見(jiàn)的大約2.35 GHz頻率（利用公式2）。雖然非對(duì)稱通道不連續(xù)性的頻率響應(yīng)可能略微不同，但是通道都被設(shè)計(jì)成對(duì)稱的。引起黃色常規(guī)通孔曲線上其它反射的主要是信號(hào)返回電流路徑。

因?yàn)槌Ｒ?guī)通孔不為信號(hào)返回電流提供路徑，所以信號(hào)返回電流要走與常規(guī)通孔最近的最小電感量的路徑。信號(hào)返回電流流過(guò)SMA連接器的接地通孔，并流過(guò)相鄰?fù)ǖ赖慕拥赝捉Y(jié)構(gòu)。因?yàn)樾盘?hào)返回電流走最近的路徑，所以正如你所預(yù)料的，S21曲線上的諧振頻率約為5 GHz（0.7英寸），而不是4.2 GHz（0.8英寸）。此外，信號(hào)返回電流從該SMA的接地通孔流到遠(yuǎn)端SMA連接器（一條大約1.6英寸長(zhǎng)的電流路徑），從而在大約2 GHz時(shí)引起另一個(gè)諧振（公式3和4）。你可以在S21曲線上清晰地觀察到返回電流引起的這兩種現(xiàn)象。 下列公式可以計(jì)算出具有常規(guī)通孔的通道的諧振頻率：

你根據(jù)S21測(cè)量可以得出的第一個(gè)結(jié)論是，諧振頻率與傳輸線上阻抗不連續(xù)性的位置有很大關(guān)系。這樣說(shuō)并不意味著你應(yīng)該將通孔置放在靠近發(fā)射器或連接器的地方，以便使阻抗失配出現(xiàn)在大于10 GHz的頻率上。不幸的是，這種方法實(shí)際上只是在接收器處阻抗完美匹配時(shí)才有效。否則，接收器處將出現(xiàn)一個(gè)反射信號(hào)，而且在最靠近發(fā)射器的通孔處將出現(xiàn)另一個(gè)反射信號(hào)。這些反射信號(hào)導(dǎo)致從接收器到通孔再到接收器的距離很長(zhǎng)，這又進(jìn)而轉(zhuǎn)換成一個(gè)很低的諧振頻率。

根據(jù)S21測(cè)量得出的第二個(gè)結(jié)論是信號(hào)返回電流會(huì)產(chǎn)生大量的反射。S21測(cè)量示出了兩個(gè)幾乎相同、只是信號(hào)返回路徑不同的通道及其略有差別的阻抗失配。S21曲線表明，常規(guī)

通孔在沒(méi)有這條很近的返回路徑時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的反射，因?yàn)樾盘?hào)返回電流走的是距離最近的、電感量最小的路徑，即使相差一英寸，也會(huì)引起諧振。

圖5 一組對(duì)阻抗受控通孔（a）和常規(guī)通孔（b）的電流密度進(jìn)行比較的曲線，表明返回電流流過(guò)一定距離的附加接地通孔。

信號(hào)返回電流可能流過(guò)相鄰電源平面和接地平面的內(nèi)平面電容，但是那種電容通常很小，只有高頻才能通過(guò)。在大多數(shù)情況下，信號(hào)返回電流流過(guò)連接信號(hào)印制線各參考層的最近的通孔。那些返回電流通孔可能遠(yuǎn)離實(shí)際信號(hào)通孔很遠(yuǎn)。為了驗(yàn)證這一效應(yīng)，試驗(yàn)人員將一個(gè)接地通孔放置在離常規(guī)通孔大約100密耳的地方，然后繪制阻抗受控通孔的電流密度以及常規(guī)通孔的電流密度。很明顯，大部分返回電流流過(guò)了一定距離之外的附加接地通孔。這種返回電流的額外距離導(dǎo)致出現(xiàn)在S21曲線中的各種反射。

圖6 比特流的數(shù)據(jù)眼圖曲線表明，常規(guī)通孔（黃色曲線）衰減多個(gè)頻率，導(dǎo)致眼圖和上升時(shí)間分別比阻抗受控通孔（綠色曲線）的小和慢。

在你考察具有很寬頻譜的實(shí)際數(shù)據(jù)信號(hào)，如PRBS（偽隨機(jī)比特流）圖時(shí)，寬帶反射的影響變得更加明顯。為了說(shuō)明這種影響，試驗(yàn)人員以3.125 Gbps速率在兩個(gè)通道中傳送一個(gè)27–1 PRBS圖，并記錄輸出波形。兩個(gè)通道都只有2.8英寸長(zhǎng)，但通孔的影響清晰可見(jiàn)。常規(guī)通孔（黃色曲線）衰減多個(gè)頻率，結(jié)果使其數(shù)據(jù)眼圖上升時(shí)間分別比阻抗受控通孔的（綠色曲線）小和慢。

最后，阻抗失配應(yīng)該盡可能小。即使是最小的失配也會(huì)出現(xiàn)在S21曲線的一個(gè)離散頻率上并影響信號(hào)質(zhì)量。你只要滿足諸如間隔、印制線寬度和焊區(qū)寬度等重要設(shè)計(jì)參數(shù)，就可最大程度提高阻抗受控通孔的性能。例如，信號(hào)通孔的凹緣（或者間隙）大小非常關(guān)鍵。它必須至少是信號(hào)通孔和接地通孔之間的距離a與通孔直徑D之差，這樣信號(hào)通孔凹緣才能觸及接地通孔。否則，接地層、電源層或者兩者上的金屬就會(huì)與信號(hào)通孔靠得太近，產(chǎn)生不希望的額外電容，從而使通孔阻抗降低到低于計(jì)算所得的50Ω。

同樣，將頂層或底層微帶線與內(nèi)層微帶線連接起來(lái)的每一個(gè)通孔都會(huì)產(chǎn)生一根短截線。當(dāng)短截線長(zhǎng)度小于信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，該短截線就幾乎察覺(jué)不到。如果短截線長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，就會(huì)引起可觀的信號(hào)失真。例如，一根40密耳長(zhǎng)的短截線在信號(hào)上升時(shí)間約為50ps、信號(hào)速率為3.125Gbps的系統(tǒng)中具有大約14ps的信號(hào)運(yùn)行長(zhǎng)度。在最壞的情況下，短截線的長(zhǎng)度為某個(gè)重要頻率的四分之一波長(zhǎng)，因此短截線對(duì)該頻率來(lái)說(shuō)是短路的，從而使原始信號(hào)消失。

上面幾個(gè)公式都假定信號(hào)通孔和接地通孔的直徑是相同的。如要使用不同的直徑，你就必須修改電容量公式。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)所連接的印制線寬度選擇通孔直徑。如果印制線比通孔小得多，那么從50Ω印制線到通孔焊區(qū)的過(guò)渡就會(huì)引起不希望有的阻抗不連續(xù)性。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮接地通孔與所連接印制線之間的距離。當(dāng)接地通孔與印制線的間隔小于印制線與參考層之間的距離，產(chǎn)生額外印制線電容，進(jìn)而使印制線阻抗降低到小于50Ω時(shí)，這就會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。例如，在測(cè)試板上，信號(hào)印制線與接地通孔之間的距離大約為11密耳，而印制線在接地參考層上方大約10密耳。

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素是焊區(qū)大小，因?yàn)槊恳粋€(gè)連接印制線的通孔都需要一個(gè)焊區(qū)。該焊區(qū)應(yīng)該盡可能小，因?yàn)閺暮竻^(qū)到接地通孔的距離小于從信號(hào)通孔到接地通孔的距離。由于這些焊區(qū)的緣故，使距離縮短，電容增大，進(jìn)而使總阻抗降低。

在一個(gè)典型的設(shè)計(jì)中，并非總有四個(gè)接地通孔。只要返回電流有一條通過(guò)一只附近的旁路電容器從VDD到地的路徑，該通孔結(jié)構(gòu)和電源通孔一起就具有同樣好的性能。

例如，現(xiàn)在來(lái)考慮在具有1毫米柵格的BGA輸出引腳內(nèi)包含這種通孔結(jié)構(gòu)的電路板。由于是固定輸出引腳，所以你只可以將兩個(gè)外通孔接地；而將另外兩個(gè)通孔連接到VDD。這種通孔結(jié)構(gòu)之所以性能良好，乃是因?yàn)槟氵€可以將SMD旁路電容器連接在BGA內(nèi)的VDD與地之間。

你也可以將這種通孔結(jié)構(gòu)用于差分信號(hào)。差分信號(hào)可以共用兩個(gè)外通孔，節(jié)省電路板空間。德州儀器公司在其XAUI收發(fā)器的評(píng)估電路板上采用了這種方法，因?yàn)檫@種電路板的BGA內(nèi)空間有限。對(duì)于阻抗受控通孔來(lái)說(shuō)，層間間隔的大小無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樾纬呻娙莸氖墙拥赝?，而不是金屬層。但是，常?guī)通孔取決于層間電容。因此，即使電路板的厚度沒(méi)有變化，你也必須為不同的層堆疊專門(mén)設(shè)計(jì)通孔。