PCB設(shè)計(jì)中的特性阻抗

大家都知道阻抗要連續(xù)。但是，正如羅永浩所說“人生總有幾次踩到大便的時(shí)候”，PCB設(shè)計(jì)也總有阻抗不能連續(xù)的時(shí)候。怎么辦？

特性阻抗：又稱“特征阻抗”，它不是直流電阻，屬于長(zhǎng)線傳輸中的概念。在高頻范圍內(nèi)，信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)沿到達(dá)的地方，信號(hào)線和參考平面（電源或地平面）間由于電場(chǎng)的建立，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流。

如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號(hào)在傳輸，就始終存在一個(gè)電流I，而如果信號(hào)的輸出電壓為V，在信號(hào)傳輸過程中，傳輸線就會(huì)等效成一個(gè)電阻，大小為V/I，把這個(gè)等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。

信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在阻抗不連續(xù)的結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生反射。

影響特性阻抗的因素有：介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、銅箔厚度。

【1】漸變線

一些RF器件封裝較小，SMD焊盤寬度可能小至12mils，而RF信號(hào)線寬可能達(dá)50mils以上，要用漸變線，禁止線寬突變。漸變線如圖所示，過渡部分的線不宜太長(zhǎng)。

【2】拐角

RF信號(hào)線如果走直角，拐角處的有效線寬會(huì)增大，阻抗不連續(xù)，引起信號(hào)反射。為了減小不連續(xù)性，要對(duì)拐角進(jìn)行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應(yīng)足夠大，一般來說，要保證：R>3W。如圖右所示。

【3】大焊盤

當(dāng)50歐細(xì)微帶線上有大焊盤時(shí)，大焊盤相當(dāng)于分布電容，破壞了微帶線的特性阻抗連續(xù)性?？梢酝瑫r(shí)采取兩種方法改善：首先將微帶線介質(zhì)變厚，其次將焊盤下方的地平面挖空，都能減小焊盤的分布電容。如下圖。

【4】過孔

過孔是鍍?cè)陔娐钒屙攲优c底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號(hào)過孔連接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環(huán)狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個(gè)電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

過孔的寄生參數(shù)

若經(jīng)過嚴(yán)格的物理理論推導(dǎo)和近似分析，可以把過孔的等效電路模型為一個(gè)電感兩端各串聯(lián)一個(gè)接地電容，如圖1所示。

過孔的等效電路模型

從等效電路模型可知，過孔本身存在對(duì)地的寄生電容，假設(shè)過孔反焊盤直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于：

過孔的寄生電容可以導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間延長(zhǎng)，傳輸速度減慢，從而惡化信號(hào)質(zhì)量。同樣，過孔同時(shí)也存在寄生電感，在高速數(shù)字PCB中，寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容。

它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，從而減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。假設(shè)L為過孔的電感，h為過孔的長(zhǎng)度，d為中心鉆孔的直徑。過孔近似的寄生電感大小近似于：

過孔是引起RF 通道上阻抗不連續(xù)性的重要因素之一，如果信號(hào)頻率大于1GHz，就要考慮過孔的影響。

減小過孔阻抗不連續(xù)性的常用方法有：采用無盤工藝、選擇出線方式、優(yōu)化反焊盤直徑等。優(yōu)化反焊盤直徑是一種最常用的減小阻抗不連續(xù)性的方法。由于過孔特性與孔徑、焊盤、反焊盤、層疊結(jié)構(gòu)、出線方式等結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，建議每次設(shè)計(jì)時(shí)都要根據(jù)具體情況用HFSS和Optimetrics進(jìn)行優(yōu)化仿真。

當(dāng)采用參數(shù)化模型時(shí)，建模過程很簡(jiǎn)單。在審查時(shí)，需要PCB設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的仿真文檔。

過孔的直徑、焊盤直徑、深度、反焊盤，都會(huì)帶來變化，造成阻抗不連續(xù)性，反射和插入損耗的嚴(yán)重程度。

【5】通孔同軸連接器

與過孔結(jié)構(gòu)類似，通孔同軸連接器也存在阻抗不連續(xù)性，所以解決方法與過孔相同。減小通孔同軸連接器阻抗不連續(xù)性的常用方法同樣是：采用無盤工藝、合適的出線方式、優(yōu)化反焊盤直徑。