數(shù)字視頻設(shè)備的BNC連接器PCB占位設(shè)計解析

如今越來越多的視頻設(shè)備以千兆位速率運行，它們通過相對較大的同軸BNC連接器互連。雖然這些連接器一般都具有良好的質(zhì)量，但它們在設(shè)備中的性能表現(xiàn)卻取決于它們在PCB上貼裝得如何。非優(yōu)化的連接器占位設(shè)計會導(dǎo)致阻抗失配、反射、信號損耗，并降低設(shè)備的信號保真度。BNC占位PCB布局設(shè)計任務(wù)，一般由線路布線設(shè)計師和硬件工程師負責，但他們通常沒有時間或適合的工具順利完成任務(wù)。本文介紹了BNC占位設(shè)計中的幾個常見問題，并以插圖說明了邊緣貼裝和插入式連接器的占位設(shè)計示例。這些連接器可與美國國家半導(dǎo)體的LMH0384 3G/HD/SD自適應(yīng)電纜均衡器、LMH0303電纜驅(qū)動器及LMH0387可配置I/O器件搭配使用。
　　BNC的類型
　　視頻設(shè)備在歷史上一直將BNC與75歐姆同軸電纜搭配使用。視頻畫面過去以標清速率（270Mbps）傳輸，后來升至高清速率（1.485Gbps），現(xiàn)已轉(zhuǎn)換到3Gbps.BNC連接器須在信號損耗最小的情況下支持3Gbps的信號傳輸，同時還要保持75？的特征阻抗，并將反射降至最低。
　　許多連接器供應(yīng)商都根據(jù)PCB上的貼裝方式提供不同類型的BNC.基于機械方面的考慮，這些連接器可以采用垂直貼裝、直角貼裝或邊緣貼裝。在電氣方面，信號引腳要么表面貼裝在電路板頂層的連接焊盤上，要么焊接在金屬化通孔內(nèi)，信號布線則位于電路板的另一面。
　　BNC的測試
　　BNC是一種同軸連接器，專為支持高達3Gbps的視頻傳輸而設(shè)計，其性能主要取決于BNC內(nèi)的同軸結(jié)構(gòu)，從BNC連接器至PCB的轉(zhuǎn)換將嚴重影響B(tài)NC的性能。設(shè)計良好的BNC占位對保持BNC帶寬及其特征阻抗必不可少。
　　時域反射計（TDR）是快速檢驗無信號引腳或占位的BNC同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能的一個很好的工具。進行該測試的簡單方法是用扁平金屬片使BNC的信號引腳與其屏蔽引腳短路，然后向BNC內(nèi)發(fā)射TDR階躍脈沖。通過測量從發(fā)射的TDR階躍脈沖反射回的信號，儀表即可測出在階躍脈沖傳輸期間的阻抗。
　　此直角BNC具有均勻的同軸結(jié)構(gòu)，其75Ω特征阻抗在BNC內(nèi)幾乎保持不變，因此其占位應(yīng)設(shè)計成具有與BNC相同的特征阻抗。
　　此直角BNC的同軸結(jié)構(gòu)有不均勻的征兆，在直角彎曲處，特征阻抗從標稱的75Ω開始下降。在此情況下，其占位可以設(shè)計相對略高的特征阻抗以彌補BNC的缺陷。
　　此直角BNC說明其同軸結(jié)構(gòu)有多種不均勻的征兆，在直角彎曲處，它難以保持其特征阻抗。在此情況下，很難為BNC提供具有良好回波損耗性能的占位。
　　BNC至電路板連接中的常見問題
　　大多數(shù)表面貼裝BNC連接器具有直徑大約為30~40mil的大信號引腳。為將信號引腳正確焊接在PCB上，需要寬約50mil的連接焊盤。為便于布線，通常會使用8~15mil的較細表面走線，將信號從BNC連接器傳送至多引腳數(shù)量的集成電路。
　　未經(jīng)優(yōu)化的邊緣貼裝BNC占位的俯視圖和截面圖。為實現(xiàn)75？特征阻抗，專門設(shè)計了一條12mil的微帶線，安置在GND層上方15mil處。BNC的連接焊盤相當于50mil的微帶線。由于在焊盤下方15mil處有GND層，所以焊盤的特征阻抗大大低于走線的特征阻抗。焊盤導(dǎo)致阻抗大幅下降，這將會影響信號質(zhì)量并增加寄生電容，從而減小BNC帶寬。
　　大多數(shù)視頻設(shè)備會使用插入式BNC，因為它具有更好的貼裝魯棒性。BNC通常會貼裝在電路板的頂層，其信號引腳焊接在較大的金屬化通孔內(nèi)，信號布線則位于電路板的底層。圖8顯示了未經(jīng)優(yōu)化的插入式BNC占位的俯視圖和截面圖。內(nèi)部接地層和電源層與金屬化通孔隔離，以免信號引腳短路。金屬化通孔的圓柱形金屬柱會產(chǎn)生少量電感。每個內(nèi)部電源層都會為金屬化通孔提供寄生電容，具體容量取決于內(nèi)部電源層與金屬柱之間的間隙。間隙小的大金屬化通孔會產(chǎn)生過高的電容，從而導(dǎo)致阻抗大幅下降。如果信號布線在BNC的同一層，金屬化通孔就會成為懸掛在信號走線上的殘端，并產(chǎn)生較大的寄生電容，甚至導(dǎo)致更大幅度的阻抗下降。
　　未經(jīng)優(yōu)化的信號發(fā)射帶來的影響
　　美國電影與電視工程師協(xié)會（SMPte）發(fā)布了多個標準，用于管理通過同軸電纜的數(shù)字視頻傳輸。這些SMPTE標準包括輸入和輸出回波損耗要求，主要規(guī)定了輸入或輸出端口與75Ω網(wǎng)絡(luò)的匹配度。不良BNC或未經(jīng)優(yōu)化的BNC占位會導(dǎo)致阻抗失配，使其難以通過SMPTE回波損耗限制。
　　嚴重的阻抗失配會導(dǎo)致反射，從而對信號質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，并且還會縮小數(shù)據(jù)眼圖的電壓或時序裕度。信號發(fā)射中的過高寄生電容會降低信號路徑的帶寬，并導(dǎo)致符號間的干擾和抖動。
　　BNC的選擇
　　如何選擇BNC主要取決于BNC的機械結(jié)構(gòu)，以及與設(shè)備外殼的兼容性。在電氣方面，要求BNC能在插入損耗較低的情況下支持高達3Gbps的傳輸，同時還要求在其同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)保持均勻性和幾乎恒定的特征阻抗。它們最好具有較小的信號引腳，這樣可在進行占位設(shè)計時盡量使用最小的通孔或連接焊盤，以便將阻抗的不連續(xù)性降至最低。
　　透明的BNC占位——表面貼裝BNC
　　透明的占位（transparent footprint）是指其具有與BNC連接器相同的特征阻抗，且不會顯著增加影響B(tài)NC帶寬的電路寄生值。下面探討幾種方法，其中一種有效方法是排查信號路徑、尋找偏離目標阻抗的電路板幾何圖形，并提出將阻抗恢復(fù)至目標值的方法。
　　表面貼裝BNC，則大的連接焊盤將導(dǎo)致阻抗大幅下降。提高其阻抗需要使用較大的電介質(zhì)間隔（H》》15mil），但這并不是可選方案。提高焊盤阻抗的方法之一是移除焊盤下方的一個或多個層，以消除過高的寄生電容。開口尺寸通常設(shè)計為能提供剛好足夠的邊緣電容，以將連接焊盤的阻抗恢復(fù)至其目標值。在焊盤下方移除層的技術(shù)。占位取決于第一個GND層的位置，以及電路板中電源層的位置和數(shù)量。
　　在此示例中，移除焊盤下方所有的層。此步驟會將焊盤的特征阻抗提高到75Ω（此示例的目標阻抗）以上。為了使阻抗恢復(fù)至目標值75Ω，在焊盤的兩端增加了接地金屬片。這些接地片安置在焊盤預(yù)先定義的距離處，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實現(xiàn)所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是與電路板堆疊完全無關(guān)，因此可在多層電路板設(shè)計中重復(fù)使用。
　　透明的BNC占位——插入式BNC
　　對于插入式BNC，其占位由金屬化通孔及其引出線兩部分結(jié)構(gòu)組成。金屬化通孔直徑通常為30~50mil.為使金屬化通孔的阻抗保持為75Ω，在電源層中需要使用大間隙（反焊盤）。反焊盤尺寸決定于金屬化通孔直徑以及電路板中的電源層數(shù)量。使用大的反焊盤后，反焊盤區(qū)域內(nèi)的引出線將喪失其GND參考，其阻抗就會增加。為解決此問題，需要將短金屬片延長至反焊盤內(nèi)，以保證引出線的阻抗。底層引出線上方的第一個電源層需要延長金屬片，其寬度通常為走線寬度的3~5倍。
　　在此示例中，底部金屬層上加寬的引出線任意一側(cè)都安置了兩個GND接地片。這些接地片安置在引出線預(yù)先定義好的位置上，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實現(xiàn)短引出線所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能獨立調(diào)節(jié)電源層中的反焊盤以控制金屬化通孔阻抗，且能獨立調(diào)節(jié)接地保護片間隙以控制引出線阻抗。
　　BNC占位設(shè)計優(yōu)化
　　BNC占位設(shè)計涉及在GND和VCC內(nèi)層安置反焊盤或移除層，或安置表面GND接地片，以產(chǎn)生剛好足夠的寄生電容來保證所需的特征阻抗。占位取決于BNC的信號引腳直徑，以及電路板中的電源層數(shù)量。在某些情況下，占位可以設(shè)計成偏離標稱的75Ω以彌補BNC本身輕微的缺陷。硬件工程師必須根據(jù)以往的經(jīng)驗來優(yōu)化BNC占位，在多數(shù)情況下，常常會進行多次電路板重設(shè)計。
　　使用三維電磁仿真可以優(yōu)化BNC占位設(shè)計。從BNC的三維模型（機械維度和材料特性）開始，將建議的占位結(jié)構(gòu)和電路板特性（走線寬度、層疊和材料特性）輸入3D EM仿真器。執(zhí)行頻域仿真以確保符合有關(guān)回波損耗和插入損耗的設(shè)計目標，還可以執(zhí)行仿真TDR來檢查BNC和占位的阻抗曲線。
　　BNC供應(yīng)商有完整的BNC模型，在客戶輸入電路板堆疊的情況下運行此仿真，是全面了解BNC模型的最好方法之一。本部分給出的仿真示例由連接器供應(yīng)商Samtec公司提供。
　　本文小結(jié)
　　本文討論了BNC占位設(shè)計中的幾個常見問題，并介紹了透明的占位設(shè)計的幾種設(shè)計方法。最佳的設(shè)計是使用具有最小信號引腳的連接器，從而無需設(shè)計任何特殊電路板結(jié)構(gòu)。對于信號引腳較大的連接器，無論是邊緣貼裝還是插入類型，均可采用具有良好性能的受控阻抗占位。請務(wù)必使用最小的焊盤或孔。排查信號路徑、逐一檢查電路板結(jié)構(gòu)、尋找路徑中的寄生電感和電容，并找出消除過高阻抗以及將阻抗恢復(fù)至目標值的方法。
　　本文所用的原則不僅適用于占位設(shè)計，對其它元件的連接焊盤也同樣有效。高速電路板設(shè)計不再是點A至點B的簡單連接。許多細微的布局決策都會影響電氣性能。三維電磁仿真工具可幫助工程師進行重要布局決策，并實現(xiàn)目標電氣性能。時域反射計是進行電路板調(diào)試和識別阻抗變化位置的有用儀表。良好的信號發(fā)射是獲得良好信號質(zhì)量，以及滿足回波損耗要求和電路板上其它電路要求的基本。
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