PCB阻抗受控的通孔設(shè)計

1、PCB阻抗受控的通孔設(shè)計要想保持印制電路板信號完整性，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）這樣一種獨特方法。隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號完整性對于數(shù) 據(jù)傳輸?shù)捻樌M行至關(guān)重要。電路板設(shè)計人員試圖消除高速信號路徑上的每一個阻抗失配， 因為這些阻抗失配要想保持印制電路板信號完整性，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）這樣一種獨特方法。隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號完整性對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M行至關(guān)重要。 電路板設(shè)計人員試圖消除高速信號路徑上的每一個阻抗失配，因為這些阻抗失配會產(chǎn)生信號 抖動并降低數(shù)據(jù)眼的張開程度一一從而不僅縮短數(shù)據(jù)傳輸

2、的最大距離，而且還將諸如SONET （同步光網(wǎng)絡(luò)）或XAUI （10Gb附屬單元接口）等通用抖動規(guī)范的余量降到最低程度。由于印刷電路板上的信號密度的提高，就需要更多的信號傳輸層，而且通過層間互連（通 孔）實現(xiàn)傳輸也是不可避免的。過去，通孔代表一種產(chǎn)生信號失真的重要來源，因為其阻抗 通常大約為2535Q。這么大的阻抗不連續(xù)性會使數(shù)據(jù)眼圖的張開程度降低3dB，并會依據(jù) 數(shù)據(jù)速率大小而產(chǎn)生大量的抖動。結(jié)果，電路板設(shè)計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，但卻會增加復(fù)雜度并大大 提高電路板成本?？梢岳靡环N新的“類似同軸的”通孔結(jié)構(gòu)來避免標準通孔

3、出現(xiàn)的嚴重阻抗失配問題。 這種結(jié)構(gòu)以一種特殊的配置將接地通孔放置在信號通孔四周。采用這種技術(shù)設(shè)計的通孔在 TDR （時域反射計）曲線上顯示阻抗不連續(xù)性低于4% （50 + 2Q ）和信號質(zhì)量有所改善。這 種新方法產(chǎn)生一個阻抗可調(diào)的垂直通道。開發(fā)人員利用信號線在中心的簡單同軸模型產(chǎn)生這 種通孔結(jié)構(gòu)；四周的接地屏蔽產(chǎn)生一個均勻分布的阻抗。四個在中心信號通孔四周排成一圈 的接地通孔取代了均勻的接地屏蔽（圖1）。因為這四個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，而且其中每一個通孔與信號通孔之間形成電容。電容量 的計算取決于通孔直徑、介電常數(shù)以及信號通孔和接地通孔之間的距離。

4、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一一防止每一電源平面和接地平面 的電容量急劇增加。外側(cè)的接地通孔為信號返回電流提供路徑，并在信號通孔和接地通孔之 間形成一個電感回路。圖1印制電路板層間互連設(shè)計的新技術(shù)提供可預(yù)測的路徑阻抗和改進的信號完整性。你可以利用簡單的公式（參考文獻1）計算出由一個接地通孔與信號通孔形成的電容量 和電感量。計算時，你可以假定這兩個通孔實質(zhì)上是兩根直徑相同的導(dǎo)線。D為通孔的直徑，L = *O4h_,1a為信號通孔和接地通孔之間的中心距。一對通孔的電感L的計算公式為：一 一?！?當一對通孔的電容C計算公式為：因為主要由5個通孔構(gòu)成的垂直通道

5、是均勻的，因此一對通孔的的阻抗Z的計算公式為:公式1計算了標準雙線系統(tǒng)的電容量。改進的通孔結(jié)構(gòu)增加了三個額外的接地通孔，所 以信號通孔中的正電荷量保持不變，但所有的負電荷則均勻地分布在四個接地通孔上。因此， 改進的通孔結(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，因為信號通孔與四個接地通孔之間構(gòu)成了四個并聯(lián)的電感回路，從而通孔的阻抗Z為:試驗人員在從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，對這種通孔結(jié)構(gòu)進行了測試。他們利用TDR測量和基于 CST（計算機仿

6、真技術(shù)）的3-D場測定儀驗證了計算所得的通孔阻抗。他們推導(dǎo)的公式預(yù)示 無論電路板的厚度如何，阻抗都格外地好（2Q），因為通孔的阻抗公式與電路板厚度無 關(guān)。表1將計算獲得的6層62密耳FR4測試電路板（er=4.1）的阻抗與TDR測量結(jié)果和基 于CST的Microwave Studio 3-D場測定儀仿真所得的阻抗值進行了比較。計算所得的通孔 阻抗與測量結(jié)果的誤差在2Q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通道上其它不連續(xù)性的一種好方法。圖2示出了在測試板的兩個幾乎相同 的通道上測得的TDR曲線。唯一

7、的差別是，一個通道具有直徑為14.5密耳、凹緣（間隙）為10密耳的常 規(guī)通孔，而另一個通道TDR曲線是確定通孔阻抗或信號通道上其它不連續(xù)性的一種好方法。圖2示出了在測試 板的兩個幾乎相同的通道上測得的TDR曲線。唯一的差別是，一個通道具有直徑為14.5密 耳、凹緣（間隙）為10密耳的常規(guī)通孔，而另一個通道則具有直徑為14.5密耳、中心距離 為41密耳的改進型通孔結(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52Q，而常規(guī)通孔的阻抗為4854Q。常規(guī)通孔的阻抗匹配 比改進型通孔結(jié)構(gòu)的要差。但是，對于常規(guī)通孔來說，匹配還是不錯的，而且，根據(jù)這一TDR

8、曲線，你應(yīng)當預(yù)計到信號失真很小。【gp】 UEFnuww20004C006000 aoLwy tdquc-ncyrglnilfifw cwhi*日頃M就I b. Ire 町部W SMA connKfewrefl ifn p.=Ui100DO12DD01400Gct=14 Safllrrt CjEUSAntipalDfnlFrequen cy MHz3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測量的一個缺點是，測量結(jié)果是與設(shè)備上升時間相關(guān)的。它沒有顯示離散頻率不連 續(xù)性的頻率響應(yīng)。一種驗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

9、出了特定頻率的信號是如何通過傳輸線通道的而其它頻率的信號是如何被反 射或衰減的。圖3示出了 TDR測量中兩個通道的S21曲線。兩個通道是相同的，唯一的差別 是一個通道具有改進型通孔結(jié)構(gòu)（綠色曲線），而另一個通道具有常規(guī)通孔（黃色曲線）。 這種改進型通孔結(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，在整個頻率段內(nèi)仍有多重反射。這些反射導(dǎo)致信號在某些頻 率比其它頻率衰減得更大，因而進一步降低了高速信號的質(zhì)量。Ghanftd with /ugidilar vi a一Channol WilficanErollad拄金ImpccfanccHS-圖4試

10、驗人員開發(fā)了一塊既有標準通孔又有改進的阻抗通孔的測試電路板，用以測量信號 性能。在這塊測試板上，SMA連接器和通孔之間的距離大約為1.4英寸，這相當于S21曲線上 清晰可見的大約2.35 GHz頻率（利用公式2）。雖然非對稱通道不連續(xù)性的頻率響應(yīng)可能 略微不同，但是通道都被設(shè)計成對稱的。引起黃色常規(guī)通孔曲線上其它反射的主要是信號返 回電流路徑。因為常規(guī)通孔不為信號返回電流提供路徑，所以信號返回電流要走與常規(guī)通孔最近的最 小電感量的路徑。信號返回電流流過SMA連接器的接地通孔，并流過相鄰?fù)ǖ赖慕拥赝捉Y(jié) 構(gòu)。因為信號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

11、（0.7英寸），而不是4.2 GHz（0.8英寸）。此外，信號返回電流從該SMA的接地通孔流 到遠端SMA連接器（一條大約1.6英寸長的電流路徑），從而在大約2 GHz時引起另一個諧 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。下列公式可以計算出具有常規(guī)通孔的通道的諧振頻率:fviA 2 DISTANCE. PROPAGATION DELAY! =2J5 GHz.2-1.4 IN. * 1.50-IN.5 SMA =L RETURNPATH(SN- SMA)-= 2 GHz.2-1.6 IN.150H些IN.你根據(jù)S21測量可以得出的第一個結(jié)論是，諧振頻率與傳輸

12、線上阻抗不連續(xù)性的位置有 很大關(guān)系。這樣說并不意味著你應(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，這種方法實際上只是在接收器處阻抗完美匹 配時才有效。否則，接收器處將出現(xiàn)一個反射信號，而且在最靠近發(fā)射器的通孔處將出現(xiàn)另 一個反射信號。這些反射信號導(dǎo)致從接收器到通孔再到接收器的距離很長，這又進而轉(zhuǎn)換成 一個很低的諧振頻率。根據(jù)S21測量得出的第二個結(jié)論是信號返回電流會產(chǎn)生大量的反射。S21測量示出了兩 個幾乎相同、只是信號返回路徑不同的通道及其略有差別的阻抗失配0S21曲線表明，常規(guī) 通孔在沒有這條很近的返回路徑時會產(chǎn)生較多的反射，因為信號

13、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，也會引起諧振。Regy Isr vaa wt h gnound via nearbySigmat return currenSignal Fhljuin Eurrntg Via圖5 一組對阻抗受控通孔（a）和常規(guī)通孔（b）的電流密度進行比較的曲線，表明返回電 流流過一定距離的附加接地通孔。信號返回電流可能流過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。在大多數(shù)情況下，信號返回電流流過連接信號印制線各參考層的最近的通孔。那些返回電流通孔可能 遠離實際信號通信號返回電流可能流過相鄰電源平面和接地平面的內(nèi)

14、平面電容，但是那種電容通常很 小，只有高頻才能通過。在大多數(shù)情況下，信號返回電流流過連接信號印制線各參考層的最 近的通孔。那些返回電流通孔可能遠離實際信號通孔很遠。為了驗證這一效應(yīng)，試驗人員將 一個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）衰減多個頻率，導(dǎo)致眼圖和上升 時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際數(shù)據(jù)信號，如PRBS （偽隨機比特流

15、）圖時，寬帶反射的 影響變得更加明顯。為了說明這種影響，試驗人員以3.125 Gbps速率在兩個通道中傳送一 個27 - 1 PRBS圖，并記錄輸出波形。兩個通道都只有2.8英寸長，但通孔的影響清晰可見。 常規(guī)通孔（黃色曲線）衰減多個頻率，結(jié)果使其數(shù)據(jù)眼圖上升時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出現(xiàn)在S21曲線的一個離散頻率 上并影響信號質(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)計參數(shù)，就可最 大程度提高阻抗受控通孔的性能。例如，信號通孔的凹緣（或者間隙）大小非常關(guān)鍵。它必 須至少是信號通孔和接地通孔之間的距離a與通孔直徑D

16、之差，這樣信號通孔凹緣才能觸及 接地通孔。否則，接地層、電源層或者兩者上的金屬就會與信號通孔靠得太近，產(chǎn)生不希望 的額外電容，從而使通孔阻抗降低到低于計算所得的50 Q。同樣，將頂層或底層微帶線與內(nèi)層微帶線連接起來的每一個通孔都會產(chǎn)生一根短截線。 當短截線長度小于信號上升時間時，該短截線就幾乎察覺不到。如果短截線長度比較長，就 會引起可觀的信號失真。例如，一根40密耳長的短截線在信號上升時間約為50ps、信號速 率為3.125Gbps的系統(tǒng)中具有大約14ps的信號運行長度。在最壞的情況下，短截線的長度 為某個重要頻率的四分之一波長，因此短截線對該頻率來說是短路的，從而使原始信號消失。上面幾個公

17、式都假定信號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50Q印制線到通孔焊區(qū)的過渡就會引起不希望有的阻抗不連續(xù)性。設(shè) 計人員還應(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，進而使印制線阻抗降低到小于50Q時， 這就會成為一個問題。例如，在測試板上，信號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。表一：計算的通孔阻抗、仿真的通孔阻抗和測星的通孔阻抗三者的比較直徑密耳14. 5

18、12信號逝孔中心到桂地通孔中心的阻離巒耳）41434532軻36計嫁的阻抗（只）5Q351. 853. 34&：55Q452 2仿真的阻抗（注）51.25252 151. 551.651.6測屋的阻抗（只穴5255505153另一個重要的設(shè)計考慮因素是焊區(qū)大小，因為每一個連接印制線的通孔都需要一個焊 區(qū)。該焊區(qū)應(yīng)該盡可能小，因為從焊區(qū)到接地通孔的距離小于從信號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，進而使總阻抗降低。在一個典型的設(shè)計中，并非總有四個接地通孔。只要返回電流有一條通過一只附近的旁 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外通孔接地；而將另外兩個通孔連接到UVDD。這種 通孔結(jié)構(gòu)之所以性能良好，乃是因為你還可以將SMD旁路電容器連接在BGA內(nèi)