PCB设计中通孔的阻抗控制及其对信号完整性的影响.docx

《PCB设计中通孔的阻抗控制及其对信号完整性的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PCB设计中通孔的阻抗控制及其对信号完整性的影响.docx（6页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、通孔在连接多层PCB的不同层上的走线方面起着导体的作用（印刷电路板）。在低频情况下，过孔不会影响信号传输。但是，随着频率的升高（高于IGHz）和信号的上升沿变得陡峭（最多1ns）,过孔不能简单地视为电连接的函数，而是必须仔细考虑过孔对信号完整性的影响。通孔表现为传输线上阻抗不连续的断点，导致信号反射。然而，通孔带来的问题更多地集中在寄生电容和寄生电感上。过孔寄生电容对电路的影响主要是延长信号的上升时间并降低电路的运行速度。但是，寄生电感会削弱旁路电路的作用并降低整个电源系统的滤波功能。通孔对阻抗连续性的影响根据通孔存在和通孔不存在时的TDR（时域反射仪）曲线，在通孔不存在的情况下确实发生明显的

2、信号延迟。在不存在通孔的情况下，向第二测试孔传输信号的时间跨度为458ps,而在存在通孔的情况下，向第二测试孔传输信号的时间跨度为480ps因此，通过引线将信号延迟22ps0信号延迟主要由通孔的寄生电容引起，可通过以下公式得出：1.4irTD1D2-Di在该式中，d2是指焊盘直径（mm）在地面上，dl是指焊盘通孔的直径（mm）,T为PCB板厚度（mm）,参考层的介电常数C到寄生电容（pF）。在本讨论中，通孔的长度为0.96mm,通孔直径为0.3mm,焊盘的直径为0.5mm,介电常数为4.2,涉及上述公式，计算出的寄生电容约为0.562pF0对于电阻为50Q的信号传输线，此过孔将导致信号的上升时

3、间发生变化，其变化量由以下公式计算：Tl0%.90%=2.2C（今根据上面介绍的公式，由通孔电容引起的上升时间变化为30.9ps,比测试结果（22ps）长9ps,这表明理论结果和实际结果之间确实存在变化。总之，通孔寄生电容引起的信号延迟不是很明显。然而，就高速电路设计而言，应特别注意在跟踪中应用过孔的多层转换。与寄生电容相比，过孔具有的寄生电感会导致更多的电路损坏。通孔的寄生电感可以通过以下公式得出：1.=5.08hn（-+l）在该公式中，1.表示通孔的寄生电感（nH）,h表示通孔的长度（mm）,d表示通孔的直径（mm）。通孔寄生电感引起的等效阻抗可以通过以下公式计算得出：7-1O%-9O%测

4、试信号的上升时间为500ps,等效阻抗为4.28Q。但是通孔导致的阻抗变化达到12Q以上，这表明测量值与理论计算值存在极大的差异。通孔直径对阻抗连续性的影响根据一系列实验，可以得出结论，通孔直径越大，通孔的不连续性就越大。在高频，高速PCB设计过程中，通常将阻抗变化控制在10%的范围内，否则可能会产生信号失真。焊盘尺寸对阻抗连续性的影响寄生电容对高频信号频带内的谐振点具有极大的影响，带宽会随着寄生电容而发生偏移。影响寄生电容的主要因素是焊盘尺寸，其对信号完整性的影响相同。因此，焊盘直径越大，阻抗不连续性就会越强。当焊盘直径在0.5mm至1.3mm范围内变化时，由通孔引起的阻抗不连续性将不断减小

5、。当焊盘尺寸从05mm增加到0.7mm时,阻抗将具有相对较大的变化幅度。随着焊盘尺寸的不断增加，通孔阻抗的变化将变得平滑。因此，焊盘直径越大，通孔引起的阻抗不连续性越小。通过信号的返回路径返回信号流的基本原理是，高速返回信号电流沿最低电感路径流动。由于PCB板包含一个以上的接地层，因此返回信号电流直接沿着信号线下方最靠近信号线的接地层的一条路径流动。当所有信号电流从一个点流到另一点时都沿着同一平面流动时，如果信号通过通孔从一个点流到另一个点，那么当接地时，返回信号电流将不会跳跃。在高速PCB设计中，可以通过信号电流提供返回路径，以消除阻抗失配。围绕过孔，接地过孔可以设计成为信号电流提供返回路径

6、，并在信号过孔和接地过孔之间产生电感环路。即使由于过孔的影响而导致阻抗不连续，电流也将能够流向电感环路，从而改善信号质量。通孔的信号完整性S参数可用于评估通孔对信号完整性的影响，表示通道中所有成分的特性，包括损耗，衰减和反射等。根据本文利用的一系列实验，表明接地通孔能够减小传输损耗，并且在通孔周围形成更多的接地通孔，传输损耗将更低。通过在过孔周围添加接地孔可以在一定程度上减少过孔引起的损耗。根据上述内容可以得出两个结论：1、通孔引起的阻抗不连续性受通孔直径和焊盘尺寸的影响。通孔直径和焊盘直径越大，引起的阻抗不连续性将越严重。通孔引起的阻抗不连续性通常会随着焊盘尺寸的增加而减小。2、添加接地通孔

7、可以明显改善通孔阻抗不连续性，可以将其控制在10%的范围内。此外，添加接地通孔还可以明显提高信号完整性。在PCB设计中每个小细节对于PCB的可制造性都能造成不小的影响。华秋DFM软件可分析PCB可制造性设计、诊断潜在隐患、规范设计标准，从细节入手，从源头解决设计隐患。规范设计标准，提升可制造性设计。更有“DFM设计规范、不规范设计问题案例集”与一键打样估价，为你的每一块PCB降本增效。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？signalpath1.1Tcurrentreturnoath特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不

8、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

9、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：R3Wo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

10、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Dl,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为,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

11、弱整个电源系统的滤波效用。假设1.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IGHz,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最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

12、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。PCB线路板阻抗控制精度及其原理在电子设备的世界里，印刷电路板犹如神经网络，承载并连接着各类电子元件，实现信号的传输与处理。其中，阻抗控制是确保PCB性能稳定、信号传输质量优良的关键因素之一。本文将带领您深入了解PCB线路板的阻抗控制精度及其背后的原理。一、PCB阻抗概述在物理学中，阻抗是指交流电路中电阻、电感和电容对电流产生的综合阻碍作用。对于PC

13、B线路板而言，其阻抗特指信号线对地或对电源的等效阻抗，通常以Z表示。准确控制PCB阻抗的核心在于保持信号在传输过程中不失真、无反射，从而确保数据的完整性与实时性。二、阻抗控制的重要性信号完整性：理想的信号传输应该是平滑、连续且无失真的。若PCB线路阻抗不匹配，会导致信号在传输过程中产生反射、衰减、延时等问题，严重影响信号完整性，可能导致数据错误、通信失败甚至硬件损坏。电磁兼容性：精确的阻抗控制有助于减少电磁干扰（EMI）。不合适的阻抗值可能引发不必要的高频谐振，增加辐射噪声，影响设备的电磁兼容性，尤其是在高速数字系统和射频（RF）应用中。系统稳定性：稳定的阻抗值有利于维持系统的稳定工作状态，防

14、止因阻抗突变引起的电压或电流波动，保证整个电子设备的可靠运行。三、PCB阻抗控制精度的决定因素PCB线路板的阻抗控制精度受到多个设计参数的影响：线宽（W）与线距（三）：这两者决定了信号线的物理尺寸，直接影响电感和电容分量，进而影响阻抗值。一般来说，线宽越小、线距越大，阻抗越高。介质层厚度（T）与介电常数（er）：介质层即PCB中的绝缘材料，其厚度和介电常数会影响信号线间的电容。较厚的介质层或较高的介电常数会使阻抗降低。铜箔厚度（Tc）:铜箔作为信号传输的导体，其厚度会影响电阻成分，从而影响总阻抗。表面粗糙度、焊盘形状、过孔结构等细节因素：这些因素虽然对阻抗的影响相对较小，但在高精度阻抗控制场合

15、也不可忽视。四、阻抗控制原理与方法要实现精确的阻抗控制，需遵循以下步骤：阻抗模型建立：基于上述影响因素，利用电磁场仿真软件（如HFSSSIwave等）建立信号线的精确三维模型，计算其特性阻抗。阻抗目标设定：根据电路设计需求（如高速数字标准、射频标准等）设定目标阻抗值，如50C、75。等。设计参数优化：通过调整线宽、线距、介质层参数等，使仿真结果尽可能接近目标阻抗值。必要时，还需要考虑温度、湿度等环境因素对阻抗的影响。制造公差控制：实际生产过程中，材料属性、加工精度等因素会导致阻抗有所偏差。因此，需要与制造商密切合作，严格控制制造公差，确保批量生产的PCB阻抗落在预设的公差范围内。阻抗测试验证：最后，通过网络分析仪等专业设备对成品PCB进行阻抗测试，验证其是否达到设计要求，如有偏差，应及时反馈至设计环节进行修正。总结来说，PCB线路板的阻抗控制精度是保障信号传输质量、提升系统稳定性和电磁兼容性的关键。通过科学合理的线路设计、精准的参数计算、严格的制造过程控制以及严谨的测试验证，可以有效实现对PCB阻抗的精确掌控，为现代电子设备的高性能运行奠定坚实基础。