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具有可控PCB阻抗的通孔设计

2019-07-03 点击量:

具有可控PCB阻抗的通孔设计
为了保持印刷电路板的信号完整性,应采用独特的方法,如可以精确匹配印刷线阻抗的层间互连(通孔)。随着数据通信速度增加到3Gbps以上,信号完整性对数据传输的平稳运行至关重要。电路板设计人员试图消除高速信号路径上的每个阻抗失配,因为这些阻抗不匹配会产生信号抖动并降低数据打开的程度 - 不仅是传输的最大距离,
一般抖动规范的余量(例如SONET(同步光纤网络)或XAUI(10Gb卫星接口))也被最小化。由于印刷电路板上信号密度的增加,需要更多的信号传输层,并且通过层间互连(通孔)的传输是不可避免的。过去,通孔是信号失真的重要来源,因为它们的阻抗通常约为25~35Ω。这种大的阻抗不连续性将数据眼图的开放减少了3dB,并且基于数据速率的大小导致大量的抖动。因此,电路板设计人员要么试图避免在高速线路上使用通孔,要么尝试采用新技术,例如钻孔或盲孔。
虽然这些方法很有用,但它们会增加复杂性并大大增加电路板成本。可以使用新的“同轴”通孔结构来避免标准通孔中严重的阻抗不匹配问题。该结构以特殊配置将信号通孔中的接地通孔放置四周。采用该技术设计的通孔表明阻抗不连续性小于4%(50±2Ω),并且在TDR(时域反射器)曲线上信号质量得到改善。这种新方法产生一个阻抗可调的垂直通道。开发人员使用中心信号线的简单同轴模型来产生这种通孔结构;四周的接地屏蔽产生均匀分布的阻抗。通过孔围绕中心信号排列的四个接地通孔取代了均匀的接地屏蔽(图1)。因为所有四个外部孔都连接到印刷电路板接地或VDD(电源),所以它们带有电荷,并且它们中的每一个在通孔和通过孔的信号之间形成电容器。电容的计算取决于通孔的直径,介电常数以及通过孔的信号和接地通孔之间的距离。通过孔的中心的间隙(凹边)“接触”外通孔,因此电容沿垂直通道均匀分布 - 防止每个电源平面和接地平面的电容急剧增加。
 
横向接地通孔提供信号返回电流的路径,并在通过孔的信号和接地通孔之间形成电感回路。
 
1种印刷电路板之间互连设计的新技术可提供可预测的路径阻抗和改善的信号完整性。您可以使用简单的公式(参考文献1)来计算接地通孔和通过孔的信号形成的电容和电感。在计算时,您可以假设两个通孔基本上是两根相同直径的导线。 D是通孔的直径,A是通过孔的信号和接地通孔之间的中心距离。
一对通孔的电感L的公式为:
一对通孔的电容C计算公式为:
因为主要由5个通孔组成的垂直通道是均匀的,所以计算一对通孔的阻抗Z的公式为:公式1计算标准双线系统的电容。改进的通孔结构增加了三个额外的接地通孔,因此通过孔的信号中的正电荷量保持不变,但所有负电荷均匀分布在四个接地通孔上。因此,改进的通孔结构的总电容与双线系统的总电容大致相同。
但是,这种通孔模型的电感是双线系统电感的四分之一,因为信号通过孔和四个接地之间的孔形成四个并联电感电路,使阻抗Z通孔是:测试人员使用FR4 Polyclad 370 Studio 3 2黄色波形来表示通道的TDR曲线,传统的通孔从60密耳厚度的6层电路板到16层电路博厚度为130密耳。
 
绿色波形表示通过孔控制阻抗的通道的TDR曲线。 TDR曲线是确定信号通道上的通孔阻抗或其他不连续性的好方法。图2显示了在测试板的两个几乎相同的通道上测量的TDR曲线。唯一的区别是一个通道有一个传统的通孔,直径为14.5密耳,凹边(间隙)为10密耳,而另一个通道有一个改进的通孔结构,直径为14.5密耳,中心距离41密耳。 TDR曲线表明SMA连接器的阻抗不匹配在两种情况下都是相同的。受控阻抗通孔的阻抗约为52Ω,而传统通孔的阻抗为48~54Ω。传统通孔的阻抗匹配比改进的通孔结构更差。
但是,对于传统的通孔,匹配是好的,并且根据此TDR曲线,您应该预期信号的失真非常小。
 
3此S21曲线显示通过以绿色表示的孔控制的阻抗和以黄色表示的传统通孔。TDR测量的一个缺点是测量结果与器件上升的时间有关。它没有显示离散频率不连续的频率响应。验证和比较通孔阻抗失配的更好方法是观察网络分析仪的S21散射参数。 S21曲线显示特定频率的信号如何通过传输线通道以及来自其他频率的信号如何被反射或衰减。图3显示了TDR测量中两个通道的S21曲线。两个通道是相同的,唯一的区别是一个通道具有改进的通孔结构(绿色曲线),而另一个通道具有传统的通孔(黄色曲线)。这种改进的通孔结构表明非常好的频率响应,第一次谐振出现在大约半GHz。另一方面,传统的通孔表明即使阻抗不匹配很小,在整个频率段仍然存在多次反射。
 
这些反射导致信号在某些频率处比在其他频率处衰减更多,因此进一步降低了高速信号的质量。
 
4该试点开发了一种测试电路板,其具有标准通孔和改进的阻抗通孔,以测量信号性能。在该测试板上,SMA连接器和通孔之间的距离约为1.4英寸,相当于S21曲线上清晰可见的约2.35 GHz频率(使用公式2)。尽管不对称信道不连续的频率响应可能略有不同,但是信道被设计成对称的。
主要是信号返回电流路径引起黄色常规通孔曲线上的其他反射。因为传统的通孔不提供信号返回电流的路径,所以信号将电流路径返回到最接近传统通孔的最小电感。该信号使流过SMA连接器的接地通孔的电流返回,并流过相邻通道的接地通孔结构。由于信号返回电流路径,S21曲线上的谐振频率约为5 GHz(0.7英寸),而不是4.2 GHz(0.8英寸),正如您所料。此外,信号返回电流从SMA的接地通孔流向远端SMA连接器(大约1.6英寸长的电流路径),导致另外的谐振在大约2 GHz(公式3和4)。
您可以清楚地观察到S21曲线上的返回电流引起的这两种现象。下面的公式计算具有常规通孔的通道的共振频率:您可以根据S21测量得出的第一个结论是共振频率与传输线上阻抗不连续的位置有很大关系。这并不意味着您应将通孔靠近发射器或连接器,以便在大于几GHz的频率下发生阻抗不匹配。不幸的是,这种方法实际上只有在接收器处阻抗完全匹配时才有效。否则,反射信号将出现在接收器上,另一个反射信号将出现在最靠近发射器的通孔处。
这些反射信号导致从接收器到通孔到接收器的长距离,这又转换成非常低的谐振频率。基于S21测量的第二个结论是信号返回电流产生大量反射。 S21测量显示两个通道几乎相同,只是信号返回路径不同,并且阻抗不匹配略有不同。
 
S21曲线表明,传统的通孔在没有这种非常接近的返回路径时产生更多的反射,因为信号返回电流以获取最近的距离,即路径的最小电感,即使相差一英寸,会引起共鸣
 
比较通过孔(a)控制的阻抗的电流密度与传统通孔(b)的51组曲线表明返回电流在一定距离处流过另外的接地通孔。信号返回电流可以流过相邻电源平面的内平面电容和接地平面,但是该电容通常很小并且只有高频可以通过。在大多数情况下,信号返回流过连接信号印刷线的每个参考层中最近的通孔的电流。返回电循环孔的那些可能远离通过孔的实际信号。为了验证这种效果,测试仪将接地孔放置在约100米处il远离传统的通孔,然后绘制通过孔控制的阻抗的电流密度和传统通孔的电流密度。 很明显,大多数返回电流通过超过一定距离的额外接地孔流过。 返回电流的这个额外距离导致S21曲线中出现的各种反射。6比特流的数据眼图曲线表明,传统的通孔(黄色曲线)衰减了多个频率,导致眼图和上升时间分别比通过孔控制的阻抗(绿色曲线)更小和更慢。当您检查具有宽频谱的实际数据信号(例如PRBS(伪随机比特流)图)时,宽带反射的影响变得更加明显。为了说明这种效果,测试仪以3.125 Gbps的速率在两个通道中发送27-1 PRBS图并记录输出波形。所有两个通道仅2.8英寸长,但通孔的冲击清晰可见。
传统的通孔(黄色曲线)衰减多个频率,导致数据眼图像分别比阻抗控制的通孔(绿色曲线)缓慢增加。最后,阻抗不匹配应尽可能小。即使最小的失配也可能发生在S21曲线的离散频率上并影响信号质量。只要您满足重要的设计参数(如间隔,打印线宽和焊接宽度),就可以最大限度地提高阻抗控制通孔的性能。例如,通过孔的信号的凹边(或间隙)尺寸是关键的。它必须至少是通过孔的信号与接地通孔a之间的距离与通孔的直径D之间的差值,使得通过孔凹边的信号可以接触接地通孔。
否则,接地层,电源层或两者上的金属都将太靠近通过孔的信号,以产生所需的附加电容,从而将通孔阻抗降低到小于计算出的50Ω。类似地,顶部或底部微带线连接到内部微带线的每个通孔产生短截断线。当短截断线的长度小于信号上升时间时,短截断线几乎察觉不到。如果短截断线的长度较长,则会导致相当大的信号失真。例如,长度为40密耳的短截断线在系统中具有大约14ps的信号运行长度,信号上升时间约为50ps,信号速率为3.125Gbps。
在最坏的情况下,短截断线的长度是重要频率的四分之一波长,因此短截断线与该频率短路,从而消失原始信号。上述公式假设通过孔和接地通孔的信号直径是相同的。要使用不同的直径,必须修改电容公式。设计者应根据连接印刷线的宽度选择通孔的直径。如果印刷线远小于通孔,则从50Ω印刷线到通孔焊接区域的过渡将导致所需的阻抗不连续。设计人员还应考虑接地通孔与连接印刷线之间的距离。当接地通孔和印刷线之间的间隔小于印刷线和参考层之间的距离时,这成为一个问题,导致额外的印刷线电容,这将印刷线的阻抗降低到小于50欧姆。 。
例如,在测试板上,信号印刷线和接地通孔之间的距离约为11密耳,而印刷线距接地参考层约10密耳。另一个重要的设计考虑因素是焊接区域的尺寸,因为连接印刷线的每个通孔都需要焊接区域。焊接区域应尽可能小,因为从焊接区到接地通孔的距离小于从信号通过孔到接地通孔的距离。
由于这些焊接区域,距离缩短并且电容增加,从而降低了总阻抗。在典型设计中,并不总是有四个接地通孔。
只要返回电流具有通过附近的旁路电容器从VDD到地的路径,通孔结构和通过该孔的电源具有相同的良好性能。例如,现在考虑一个电路板,它在BGA输出引脚内包含这个通孔结构,光栅为1 mm。由于它是固定输出引脚,因此只能将两个外部孔接地,并将另外两个通孔连接到VDD。
这种通孔结构表现良好,因为您还可以在BGA内的VDD和地之间连接SMD旁路电容。您也可以将此通孔结构用于差分信号。差分信号可以共享两个通孔,从而节省电路板空间。德州仪器公司由于该电路板的BGA内部空间有限,因此在XAUI收发器的评估电路板上采用这种方法。 对于阻抗控制的通孔,层间间隔的大小是无关紧要的,因为它是形成电容器的接地通孔而不是金属层。 然而,传统的通孔取决于层间电容。 因此,即使电路板的厚度没有变化,也必须专门为不同的堆叠层设计通孔。

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