PCB过孔的基础知识及设计验证
出处:面包板 发布于:2020-03-10 14:37:13
在一个高速印刷电路板(PCB) 中,通孔在降低信号完整性性能方面一直饱受诟病。然而,过孔的使用是不可避免的。在标准的电路板上,元器件被放置在顶层,而差分对的走线在内层。内层的电磁辐射和对与对之间的串扰较低。必须使用过孔将电路板平面上的组件与内层相连。
幸运的是,可设计出一种透明的过孔来限度地减少对性能的影响。
01
过孔结构的基础知识
让我们从检查简单过孔中将顶部传输线与内层相连的元件开始。图1是显示过孔结构的3D图。有四个基本元件:信号过孔、过孔残桩、过孔焊盘和隔离盘。
过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片,它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙,以防止到电源和接地层的短路。
图1:单个过孔的3D图
02
过孔元件的电气属性
如表格1所示,我们来仔细看一看每个过孔元件的电气属性。
表1:图1中显示的过孔元件的电气属性
一个简单过孔是一系列的π型网络,它由两个相邻层内构成的电容-电感-电容 (C-L-C) 元件组成。表格2显示的是过孔尺寸的影响。
表2:过孔尺寸的直观影响
通过平衡电感与寄生电容的大小,可以设计出与传输线具有相同特性阻抗的过孔,从而变得不会对电路板运行产生特别的影响。还没有简单的公式可以在过孔尺寸与C和L元件之间进行转换。3D电磁 (EM) 场解算程序可以根据PCB布局布线中使用的尺寸来预测结构阻抗。通过重复调整结构尺寸和运行3D仿真,可优化过孔尺寸,来实现所需阻抗和带宽要求。
03
设计一个透明的差分过孔
我们曾在之前的帖子中讨论过,在实现差分对时,线路A与线路B之间必须高度对称。这些对在同一层内走线,如果需要一个过孔,必须在两条线路的临近位置上打孔。由于差分对的两个过孔距离很近,两个过孔共用的一个椭圆形隔离盘能够减少寄生电容,而不是使用两个单独的隔离盘。接地过孔也被放置在每个过孔的旁边,这样的话,它们就能够为A和B过孔提供接地返回路径。
图2显示的是一个地-信号-信号-地 (GSSG) 差分过孔结构示例。两个相邻过孔间的距离被称为过孔间距。过孔间距越小,互耦合电容越多。
图2:使用背面钻孔的GSSG差分过孔
不要忘记,在传输速率超过10Gbps时,过孔残桩会严重影响高速信号完整性。幸运的是,有一种背面钻孔PCB制造工艺,此工艺可以在未使用的过孔圆柱上钻孔。根据制造工艺公差的不同,背面钻孔去除了未使用的过孔金属,并限度地将过孔残桩减少到10mil以下。
3D EM仿真器用来根据所需的阻抗和带宽来设计差分过孔。这是一个反复的过程。此过程重复地调整过孔尺寸,并运行EM仿真,直到实现所需的阻抗和带宽。
04
如何验证性能
图2中显示的差分过孔设计已构建完毕并经测试。测试样片包括顶层的一对差分线,之后是到内部差分线的差分过孔,然后第二对差分过孔再次连接至顶层的球状引脚栅格阵列封装 (BGA) 接地焊盘。信号路径的总长度大约为1330mil。我用差分时域反射仪 (TDR) 测得其差分阻抗,用网络分析仪测得了带宽,并用高速示波器测量了数据眼图来了解其对信号的影响。图3,4,5分别显示了阻抗、带宽和眼图。左图是使用背面钻孔时的测试结果,而右图是无背面钻孔的测试结果。在图5中的带宽波特图中,我们可以很清楚地看到背面钻孔对于在数据速率大于10Gbps 的情况下实现高性能是必不可少的。
使用背面钻孔,ZDIFF大约为85? 无背面钻孔,ZDIFF大约为58?
图3:TDR阻抗波特图
12.5GHz时的插入损耗大约为3dB 12.5GHz时的插入损耗大于8dB。
图4:频率响应
使用背面钻孔时,数据眼是打开的 无背面钻孔时,数据眼是关闭的。
图5:25Gbps时的数据眼图
上一篇:PCB设计中会遇到的安全间距问题
下一篇:PCB电路设计代换IC时的技巧
版权与免责声明
凡本网注明“出处:维库电子市场网”的所有作品,版权均属于维库电子市场网,转载请必须注明维库电子市场网,https://www.dzsc.com,违反者本网将追究相关法律责任。
本网转载并注明自其它出处的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。
- PCB的基础知识,PCB常用基材2024/1/17 16:41:05
- 如何在定制 PCB 上设计精确的倾角计2023/11/24 15:50:52
- 通过 PCB 设计最佳实践减轻噪声2023/11/14 17:30:55
- 返工 PCB 电路板的 6 个技巧2023/11/9 16:28:27
- 四层板的常见 PCB 叠层2023/11/1 16:44:03
- 英特尔数据存储如何操作和实现
- 什么是微动开关_微动开关有什么用_微动开关使用方法
- VCC,VDD,VEE,VSS在电源原理图中有什么区别?
- 低压配电系统设计规范_低压配电系统设计注意事项
- xEV 主逆变器电源模块中第四代 SiC MOSFET 的短路测试
- 光耦详细应用教程
- 定义绝缘耐久性评估的电压脉冲测试要求
- 采用沟槽MOS结构,使存在权衡关系的VF和IR相比以往产品得到显著改善 ROHM推出实现业界超快trr的100V耐压SBD“YQ系列”
- NOVOSENSE - 纳芯微推出车规级温湿度传感器NSHT30-Q1,助力汽车智能化发展
- Keysight - EV 电池设计创新:扩大续航里程、延长电池寿命