【無線射頻工藝】-差分對：你需要了解的與過孔有關(guān)的四件事

1/1差分對：你需要了解的與過孔有關(guān)的四件事在一個高速印刷電路板(PCB)中，通孔在降低信號完整性性能方面始終飽受詬病。然而，過孔的使用是不行避開的。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。必需使用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。在這篇博客中，我將爭論以下內(nèi)容：

過孔的基本元件

過孔的電氣屬性

一個構(gòu)建透亮?????過孔的方法

差分過孔結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果1.過孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)學(xué)問

讓我們從檢查簡潔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。

層過孔元件電氣屬性層1（頂層）過孔焊盤過孔焊盤在焊盤和下方的接地層之間引入寄生電容。1-2層（過孔）信號過孔過孔是一個電感器。層2（平面層）隔離盤隔離盤在金屬圓柱表面和四周的過孔四周接地層之間產(chǎn)生邊緣電容。2-3層（過孔）信號過孔電感。層3（信號）過孔焊盤焊盤與其上下的接地層之間的寄生電容。3-4層（過孔）過孔殘樁過孔的未使用部分形成電容短截線效應(yīng)。層4（平面層）隔離盤電容。4-5層（過孔）過孔殘樁過孔的未使用部分形成電容短截線效應(yīng)。層5（底層）過孔焊盤電容。表1：圖1中顯示的過孔元件的電氣屬性

一個簡潔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-電感-電容(C-L-C)元件組成。表格2顯示的是過孔尺寸的影響。

相關(guān)尺寸電氣屬性對電容阻抗(Zo)的影響過孔焊盤小焊盤直徑CZo過孔大小小孔直徑LZo隔離盤大隔離盤直徑CZo過孔長度更長的過孔長度LZo電源/接地層更多平面層CZo過孔殘樁更長的過孔殘樁CZo過孔間距更小的過孔間距CZo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。還沒有簡潔的公式可以在過孔尺寸與C和L元件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3D電磁(EM)場解算程序可以依據(jù)PCB布局布線中使用的尺寸來猜測結(jié)構(gòu)阻抗。通過重復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和運行3D仿真，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

我們曾在之前的帖子中爭論過，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。由于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，而不是使用兩個單獨的隔離盤。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過孔供應(yīng)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：使用背面鉆孔的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制造工藝，此工藝可以在未使用的過孔圓柱上鉆孔。依據(jù)制造工藝公差的不同，背面鉆孔去除了未使用的過孔金屬，并最大限度地將過孔殘樁削減到10mil以下。

3DEM仿真器用來依據(jù)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)整過孔尺寸，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連接至頂層的球狀引腳柵格陣列封裝(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，并用高速示波器測量了數(shù)據(jù)眼圖來了解其對信號的影響。圖3，4，5分別顯示了阻抗、帶寬和眼圖。左圖是使用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。

使用背面鉆孔，ZDIFF大約為85?無背面鉆孔，ZDIFF大約為58?

圖3：TDR阻抗波特圖

12.5GHz時的插入損耗大約為3dB12.5GHz時的插入損耗大于8dB

圖4：頻率響應(yīng)

使用背面鉆孔時，數(shù)據(jù)眼是打開的無背面鉆孔時，數(shù)據(jù)眼是關(guān)閉的

圖5:25Gbps時的數(shù)據(jù)眼圖