PCB设计总是有阻抗不连续,如何解决?

出处:互联网 发布于:2020-10-10 14:00:58

  大家都知道阻抗要连续。但是,正如罗永浩所说“人生总有几次踩到大便的时候”,PCB 设计也总有阻抗不能连续的时候。怎么办?

  特性阻抗:又称“特征阻抗”,它不是直流电阻,属于长线传输中的概念。在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流。

  如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流 I,而如果信号的输出电压为 V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为 V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗 Z。

  信号在传输的过程中,如果传输路径上的特性阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。

  影响特性阻抗的因素有:介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。

  【1】渐变线

  一些 RF 器件封装较小,SMD 焊盘宽度可能小至 12mils,而 RF 信号线宽可能达 50mils 以上,要用渐变线,禁止线宽突变。渐变线如图所示,过渡部分的线不宜太长。

  【2】拐角

  RF 信号线如果走直角,拐角处的有效线宽会增大,阻抗不连续,引起信号反射。为了减小不连续性,要对拐角进行处理,有两种方法:切角和圆角。圆弧角的半径应足够大,一般来说,要保证:R>3W。如图右所示。

  【3】大焊盘

  当 50 欧细微带线上有大焊盘时,大焊盘相当于分布电容,破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善:首先将微带线介质变厚,其次将焊盘下方的地平面挖空,都能减小焊盘的分布电容。如下图。

  【4】过孔

  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。

  过孔的寄生参数

  若经过严格的物理理论推导和近似分析,可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容,如图 1 所示。

  过孔的等效电路模型

  从等效电路模型可知,过孔本身存在对地的寄生电容,假设过孔反焊盘直径为 D2,过孔焊盘的直径为 D1,PCB 板的厚度为 T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:

  过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长,传输速度减慢,从而恶化信号质量。同样,过孔同时也存在寄生电感,在高速数字 PCB 中,寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。

  它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设 L 为过孔的电感,h 为过孔的长度,d 为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于:

  过孔是引起 RF 通道上阻抗不连续性的重要因素之一,如果信号频率大于 1GHz,就要考虑过孔的影响。

  减小过孔阻抗不连续性的常用方法有:采用无盘工艺、选择出线方式、优化反焊盘直径等。优化反焊盘直径是一种    常用的减小阻抗不连续性的方法。由于过孔特性与孔径、焊盘、反焊盘、层叠结构、出线方式等结构尺寸相关,建议每次设计时都要根据具体情况用 HFSS 和 Optimetrics 进行优化仿真。

  当采用参数化模型时,建模过程很简单。在审查时,需要 PCB 设计人员提供相应的仿真文档。

  过孔的直径、焊盘直径、深度、反焊盘,都会带来变化,造成阻抗不连续性,反射和插入损耗的严重程度。

  【5】通孔同轴连接器

  与过孔结构类似,通孔同轴连接器也存在阻抗不连续性,所以解决方法与过孔相同。减小通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法同样是:采用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。


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