過孔基礎(chǔ)知識與差分過孔設(shè)計

1、過孔基礎(chǔ)知識與差分過孔設(shè)計在一個高速印刷板 () 中，通孔在降低信號完整性性能方面向來飽受詬病。然而，過孔的用法是不行避開的。在標(biāo)準(zhǔn)的電路板上，元器件被放置在頂層，而差分對的走線在內(nèi)層。內(nèi)層的電磁輻射和對與對之間的串?dāng)_較低。必需用法過孔將電路板平面上的組件與內(nèi)層相連。幸運的是，可設(shè)計出一種透亮的過孔來最大限度地削減對性能的影響。1. 過孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)學(xué)問讓我們從檢查容易過孔中將頂部傳輸線與內(nèi)層相連的元件開頭。圖1是顯示過孔結(jié)構(gòu)的3d圖。有四個基本元件：信號過孔、過孔殘樁、過孔焊盤和隔離盤。過孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過孔銜接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未用法的部

2、分。過孔焊盤是圓環(huán)狀墊片，它們將過孔銜接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。圖1：單個過孔的3d圖2. 過孔元件的電氣屬性如表格1所示，我們來認(rèn)真看一看每個過孔元件的電氣屬性。表1：圖1中顯示的過孔元件的電氣屬性一個容易過孔是一系列的型網(wǎng)絡(luò)，它由兩個相鄰層內(nèi)構(gòu)成的-電容 (c-l-c) 元件組成。表格2顯示的是過孔尺寸的影響。表2：過孔尺寸的直觀影響通過平衡電感與寄生電容的大小，可以設(shè)計出與傳輸線具有相同特性阻抗的過孔，從而變得不會對電路板運行產(chǎn)生特殊的影響。還沒有容易的公式可以在過孔尺寸與c和l元件之間舉行轉(zhuǎn)換。3d電磁 (em) 場解算程序

3、可以按照pcb布局布線中用法的尺寸來預(yù)測結(jié)構(gòu)阻抗。通過重復(fù)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸和運行3d，可優(yōu)化過孔尺寸，來實現(xiàn)所需阻抗和帶寬要求。3. 設(shè)計一個透亮的差分過孔在實現(xiàn)差分對時，線路a與線路b之間必需高度對稱。這些對在同一層內(nèi)走線，假如需要一個過孔，必需在兩條線路的接近位置上打孔。因為差分對的兩個過孔距離很近，兩個過孔共用的一個橢圓形隔離盤能夠削減寄生電容，而不是用法兩個單獨的隔離盤。接地過孔也被放置在每個過孔的旁邊，這樣的話，它們就能夠為a和b過孔提供接地返回路徑。圖2顯示的是一個地-信號-信號-地 (gssg) 差分過孔結(jié)構(gòu)示例。兩個相鄰過孔間的距離被稱為過孔間距。過孔間距越小，互耦合電容越多。圖2

4、：用法背面鉆孔的gssg差分過孔不要遺忘，在傳輸速率超過10gbps時，過孔殘樁會嚴(yán)峻影響高速信號完整性。幸運的是，有一種背面鉆孔pcb創(chuàng)造工藝，此工藝可以在未用法的過孔圓柱上鉆孔。按照創(chuàng)造工藝公差的不同，背面鉆孔去除了未用法的過孔金屬，并最大限度地將過孔殘樁削減到10mil以下。3d em仿真器用來按照所需的阻抗和帶寬來設(shè)計差分過孔。這是一個反復(fù)的過程。此過程重復(fù)地調(diào)節(jié)過孔尺寸，并運行em仿真，直到實現(xiàn)所需的阻抗和帶寬。4. 如何驗證性能圖2中顯示的差分過孔設(shè)計已構(gòu)建完畢并經(jīng)測試。測試樣片包括頂層的一對差分線，之后是到內(nèi)部差分線的差分過孔，然后其次對差分過孔再次銜接至頂層的球狀引腳柵格陣列封

5、裝 (bga) 接地焊盤。信號路徑的總長度大約為1330mil。我用差分時域反射儀 (tdr) 測得其差分阻抗，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得了帶寬，并用高速測量了數(shù)據(jù)眼圖來了解其對信號的影響。圖3，4，5分離顯示了阻抗、帶寬和眼圖。左圖是用法背面鉆孔時的測試結(jié)果，而右圖是無背面鉆孔的測試結(jié)果。在圖5中的帶寬波特圖中，我們可以很清晰地看到背面鉆孔對于在數(shù)據(jù)速率大于10gbps 的狀況下實現(xiàn)高性能是必不行少的。diff大約為85；右：無背面鉆孔，zdiff大約為58）">圖3：tdr阻抗波特圖（左：用法背面鉆孔，zdiff大約為85；右：無背面鉆孔，zdiff大約為58）圖4：頻率響應(yīng)（左：12.5ghz時的插入損耗大約為3db ；右：12