差分對：你需要了解的與過孔有關的四件事

2017-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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一直飽受詬病。然而,過孔的使用是不可避免的。在標準的電路板上,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擾較低。必須使用過孔將電路板平面上的組件與內(nèi)層相連。

幸運的是,可設計出一種透明的過孔來最大限度地減少對性能的影響。在這篇博客中,我將討論以下內(nèi)容:

過孔的基本元件
過孔的電氣屬性
一個構建透明過孔的方法
差分過孔結構的測試結果

1. 過孔結構的基礎知識

讓我們從檢查簡單過孔中將頂部傳輸線與內(nèi)層相連的元件開始。圖1是顯示過孔結構的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。過孔短柱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(“過孔短柱”需改為“過孔殘樁”;“跡線”改為“傳輸線”)

2. 過孔元件的電氣屬性

如表格1所示,我們來仔細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附近的過孔周圍接地層之間產(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)	過孔短柱	過孔的未使用部分形成電容短截線效應。
層4(平面層)	隔離盤	電容。
4-5層(過孔)	過孔短柱	過孔的未使用部分形成電容短截線效應。
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

一個簡單過孔是一系列的π型網(wǎng)絡,它由兩個相鄰層內(nèi)構成的電容-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。

	相關尺寸	電氣屬性	對電容阻抗 (Zo) 的影響
過孔焊盤	小焊盤直徑	C↓	Zo↑
過孔大小	小孔直徑	L↑	Zo↑
隔離盤	大隔離盤直徑	C↓	Zo↑
過孔長度	更長的過孔長度	L↑	Zo↑
電源/接地層	更多平面層	C↑	Zo↓
過孔殘樁	更長的過孔殘樁	C↑	Zo↓
過孔間距	更小的過孔間距	C↑	Zo↓

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)生特別的影響。還沒有簡單的公式可以在過孔尺寸與C和L元件之間進行轉(zhuǎn)換。3D電磁 (EM) 場解算程序可以根據(jù)PCB布局布線中使用的尺寸來預測結構阻抗。通過重復調(diào)整結構尺寸和運行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.設計一個透明的差分過孔

我們曾在之前的帖子中討論過,在實現(xiàn)差分對時,線路A與線路B之間必須高度對稱。這些對在同一層內(nèi)走線,如果需要一個過孔,必須在兩條線路的臨近位置上打孔。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減少寄生電容,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) 差分過孔結構示例。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

不要忘記,在傳輸速率超過10Gbps時,過孔殘樁會嚴重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。根據(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減少到10mil以下。

3D EM仿真器用來根據(jù)所需的阻抗和帶寬來設計差分過孔。這是一個反復的過程。此過程重復地調(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計已構建完畢并經(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,然后第二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果,而右圖是無背面鉆孔的測試結果。在圖5中的帶寬波特圖中,我們可以很清楚地看到背面鉆孔對于在數(shù)據(jù)速率大于10Gbps 的情況下實現(xiàn)高性能是必不可少的。