搜索信號(hào)完整性分析之過孔對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h1>
2016-10-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
過孔對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/span>
一、過孔的基本概念
過孔(via)是多層PCB 的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占PCB 制板費(fèi)用的30%到40%。簡(jiǎn)單的說來,PCB 上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。從作用上看,過孔可以分成兩類:一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位。如果從工藝制程上來說,這些過孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層.
第三種稱為通孔,這種孔穿過整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以絕大部分印刷電路板均使用它,而不用
另外兩種過孔。以下所說的過孔,沒有特殊說明的,均作為通孔考慮。
從設(shè)計(jì)的角度來看,一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然,在高速,高密度的PCB
設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。但孔尺寸的減小同時(shí)帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng),也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過鉆孔
直徑的6 倍時(shí),就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如,如果一塊正常的6 層PCB 板的厚度(通孔深度)為50Mil,那么,一般條件下PCB 廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。隨
著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mils 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔,微孔技術(shù)可以允許過孔
直接打在焊盤上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線空間。過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會(huì)造成信號(hào)的反射。一般過孔的等效阻抗比
傳輸線低12%左右,比如50 歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會(huì)減小6 歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是絕對(duì)減小)。但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微
的,其反射系數(shù)僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。
二、過孔的寄生電容和電感
過孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB 板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度。舉例來說,對(duì)于一塊厚度為50Mil 的PCB 板,如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF 這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
從這些數(shù)值可以看出,盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換,就會(huì)用到多個(gè)過孔,設(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。
實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離(Anti-pad)或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過孔的寄生電
感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電
感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L 指過孔的電感,h 是過孔的長(zhǎng)度,d 是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過孔的長(zhǎng)度。仍然采用
上面的例子,可以計(jì)算出過孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 如果信號(hào)的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過兩個(gè)過孔,這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。
三、如何使用過孔
通過上面對(duì)過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設(shè)計(jì)中,看似簡(jiǎn)單的過
孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響,
在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:
1.從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婵紤],選擇合理尺寸的過孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過孔,比如對(duì)于電源或地線的過孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對(duì)于信號(hào)走線,則可以使用較小的過孔。當(dāng)然隨著過孔尺寸減小,相應(yīng)的成本也會(huì)增加。
2.上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB 板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。
3.PCB 板上的信號(hào)走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。
4.電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好?？梢钥紤]并聯(lián)打多個(gè)過孔,以減少等效電感。
5.在信號(hào)換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地過孔。
6.對(duì)于密度較高的高速PCB 板,可以考慮使用微型過孔。
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課程內(nèi)容:
1 各模塊電路原理講解(PMC,USB,OTG,LCD,DDR NANDFLASH ,WI-FI,BT,Camera,HDMI,MIC SPEKER,認(rèn)識(shí)數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào),高速信號(hào))
2 生成網(wǎng)表及布局前設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置:
3 柵格設(shè)置 (柵格設(shè)計(jì))
4 約束規(guī)則設(shè)置 (物理規(guī)則,間距規(guī)則,等長(zhǎng)設(shè)置,差分線創(chuàng)建及設(shè)置)
5 板框處理(DXF文件導(dǎo)入),疊層設(shè)置
6 常用疊層,阻抗設(shè)置及計(jì)算
7 布局篇:
8 整板佈局評(píng)估及規(guī)劃
10 佈局基本原則
11 佈局DFM要求
12 佈局順序
13 布局注意重點(diǎn)
14 USB布局
15 LCD布局
16 DDR NANDFLASH 布局
17 WI-FI,BT布局,
18 Camera 布局
19 G_Sensor/Key 布局
20 HDMI布局
21 TF Card 布局
22 TOUCH PANEL布局
23 Audio 布局
24 LIGHT SENSOR布局
25 LCD panel,MIC SPEKER布局
26 GPIO ,晶振佈局技巧 Flash/TF card布局
27 06.System power,DC/Charge電源布局(DCDC,LDO)
28 布線篇:
29 認(rèn)識(shí)信號(hào)線:重要信號(hào),高速信號(hào),一般信號(hào)線
30 布線優(yōu)先順序
30 整板布線評(píng)估與規(guī)劃
31 布線規(guī)則設(shè)置(線寬線距)
31 等長(zhǎng)設(shè)置
32 POWER及GND
32 關(guān)鍵信號(hào)布線:時(shí)鐘,復(fù)位,差分,DDR
33 雜散信號(hào)布線
33 常用電路布線
34 CPU DDR3布線
35 HDMI,USB,MIC SPEKER,WIFI,BT 各種封裝布線技巧
絲印篇
36 PCB位號(hào)設(shè)計(jì)
37 字體字號(hào)及方向原則,
38 PCB版本及LOGO處理
38 PPID及LAB
39 尺寸篇
40 標(biāo)注項(xiàng)目
后期文件輸出
41 Gerber輸出
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信號(hào)完整性培訓(xùn)課程
培訓(xùn)內(nèi)容:
Part 1 信號(hào)完整性和電源完整性理論
第一課時(shí):《 高速互連PCB基本知識(shí)-1》
主要講解:傳輸線的基本理論。信號(hào)完整性的一些主要影響因素、反射的產(chǎn)生及影響、阻抗匹配對(duì)信號(hào)完整性的影響、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)信號(hào)完整性的影響。
第二課時(shí):《 高速互連PCB基本知識(shí)-2》
主要講解:串?dāng)_和非理想回路對(duì)信號(hào)完整性的影響。減小串?dāng)_的方法、串?dāng)_系數(shù)、非理想互聯(lián):傳輸損耗、連接結(jié)構(gòu)、芯片封裝等,非理想回路:參考平面不連續(xù)。
第三課時(shí):《 高速互連PCB基本知識(shí)-3》
主要講解:電源完整性理論。電源分配系統(tǒng)、電源噪聲、同步開關(guān)噪聲、電源阻抗設(shè)計(jì)法、電源去耦。目標(biāo)阻抗計(jì)算法、去耦電容設(shè)計(jì)及計(jì)算選擇。合理化電容安裝。
第四課時(shí):《 高速互連PCB基本知識(shí)-4》
主要講解:數(shù)字時(shí)序及輻射規(guī)范(EMC)。共同時(shí)鐘時(shí)序計(jì)算、源同步時(shí)序計(jì)算、PLL嵌入試時(shí)鐘、碼間干擾、EMC輻射理論及EMC設(shè)計(jì)。
Part 2 信號(hào)及電源仿真流程
仿真流程可根據(jù)需要講解不同的軟件流程。包括:SigXplorer,Hyperlynx,Sigrity,Hspice,ADS,SIWAVE。
第一課時(shí):《 Sigrity-DDR SSO》
主要講解:使用sigrity的DDR SSO模塊進(jìn)行DDRx模塊的仿真流程。包括:層疊分配,電源分配,模型匹配,仿真設(shè)置等。DDRx屬于源同步時(shí)序,DDR3的自動(dòng)對(duì)其技術(shù)講解。
第二課時(shí):《POWER DC直流壓降分析 》
主要講解:使用sigrity的POWER DC模塊進(jìn)行的電源仿真流程。包括:直流壓降分析,交流阻抗分析,電源目標(biāo)阻抗計(jì)算和設(shè)置。
第三課時(shí):《電源去耦電容優(yōu)化方案》
主要講解:使用sigrity的OptimizePI模塊進(jìn)行的電源去耦電源優(yōu)化方案仿真。包括:電容容值計(jì)算,電容數(shù)量評(píng)估及位置評(píng)估。
第四課時(shí):《電源完整性仿真-SIwave》
主要講解:使用SIwave做電源完整性仿真流程。包括:直流壓降分析,交流阻抗分析,平面諧振分析。
Part 3 高速串行總線仿真及EMC分析
第一課時(shí):《 POWER SI-S參數(shù)及SIwave-S參數(shù)提取》
主要講解:使用SIwave和sigrity的POWER SI模塊對(duì)高速串行總線S參數(shù)提取。
第二課時(shí):《SestemSI-系統(tǒng)級(jí)高速串行總線仿真流程》
主要講解:使用SestemSI做系統(tǒng)級(jí)高速鏈路仿真流程,怎么搭建仿真鏈路、不同速率信號(hào)的電平判斷標(biāo)準(zhǔn)。(注:要做系統(tǒng)仿真需要使用HFSS對(duì)傳輸線,過孔,連接器建模)。
第三課時(shí):《 sigrity16》
主要講解:主要講解:使用3D-EM做EMC的仿真流程。
低速并行總線仿真、高速鏈路仿真的一些建模......
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承接PCB layout設(shè)計(jì),高通平臺(tái)AR智能眼鏡,智能穿戴手表,無人機(jī),MTK高通3G 4G智能手機(jī),平板電腦,筆記本電腦,臺(tái)式電腦主板,Mini電腦主板,車載,工控,醫(yī)療,服務(wù)器……天線設(shè)計(jì)……仿真,團(tuán)隊(duì)工程師均8年以上高速板和HDI高密度板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……最高可設(shè)計(jì)層數(shù)42層,最大設(shè)計(jì)pin數(shù)30000+,最小線寬2.5mil,最小過孔激光孔4mil BGA數(shù)量60+ BGA最小間距0.4mm
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