一些布線過孔電磁等PCB問題

1、寄生電容孔本身存在著對地的寄生電容，如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為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,則過孔的寄生電容大小近似于：C=1.41TD1/(D2-D1)過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度。舉例來說，對于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內(nèi)徑為10Mil，焊盤直徑為20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,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/(0.032-0.020)=0.517pF，這部分電容引起的上升時間變化量為：T10-9

2、0=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個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行層間的切換，設(shè)計者還是要慎重考慮的。過孔寄生電感同樣，過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，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)電感會削弱旁路電容的貢獻，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感：L=5.08hln(4h/d)+1其中L指過孔的電感，h是過孔的長度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響

3、較小，而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子，可以計算出過孔的電感為：L=5.08x0.050ln(4x0.050/0.010)+1=1.015nH 。如果信號的上升時間是1ns，那么其等效阻抗大小為：XL=L/T10-90=3.19。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候需要通過兩個過孔，這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。過孔相關(guān)信息高速PCB中的過孔設(shè)計通過上面對過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設(shè)計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在設(shè)計中可以盡量做到：

4、1從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔大小。比如對6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計來說，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好，對于一些高密度的小尺寸的板子，也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。受限于技術(shù)條件，很難使用更小尺寸的過孔了。對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗。2上面討論的兩個公式可以得出，使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。3PCB板上的信號走線盡量不換層，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，因為它們會導(dǎo)致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗。5在信號換層的過孔附

5、近放置一些接地的過孔，以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當然，在設(shè)計時還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況過孔長度是影響過孔電感的主要因素之一1。對用于頂、底層導(dǎo)通的過孔，過孔長度等于PCB厚度，由于PCB層數(shù)的不斷增加，PCB厚度常常會達到5 mm以上。然而，高速PCB設(shè)計時，為減小過孔帶來的問題，過孔長度一般控制在2.0 mm以內(nèi)。這里研究了過孔長度在1.0-2.0 mm范圍變化時，過孔阻抗變化情況（見圖1）。由圖看出，過孔長度由1.0 mm增加至2.0 mm時，由于過孔電感的迅速增加，導(dǎo)致過孔阻抗也迅速增加，即過孔長度越大，過孔阻

6、抗不連續(xù)性越差。試驗還表明，當過孔長度在1.0 mm范圍內(nèi)時，通過過孔參數(shù)優(yōu)化，可以將過孔引起的阻抗變化控制在10%內(nèi)，但過孔長度超過1.5 mm時，過孔阻抗不連續(xù)性問題變得難以解決。圖2為過孔孔徑對過孔阻抗的影響。由圖看出，當過孔孔徑由0.20 mm增加至0.50 mm時，過孔阻抗由58.4 ohm降低至52.5 ohm。這主要是由于過孔孔徑增加后導(dǎo)致過孔電容增加，而過孔阻抗與電容呈反比。對于過孔長度大于2.0 mm過孔，通過增加過孔孔徑，可在一定程度上提高過孔阻抗連續(xù)性。當過孔長度為1.0 mm及以下時，最佳過孔孔徑為0.20-0.30 mm。圖3為過孔焊盤尺寸對過孔阻抗的影響。由圖看出，

7、當過孔焊盤直徑由0.45 mm增加至0.55 mm時，過孔阻抗由57.5 ohm降低至55.2 ohm。這是由于過孔焊盤尺寸增加，同樣會導(dǎo)致過孔電容增加。由測試結(jié)果可以得出，過孔焊盤尺寸每增加0.05 mm，過孔阻抗約下降0.5-0.7 ohm。圖4顯示了反焊盤尺寸對過孔阻抗的影響。由圖看出，當反焊盤尺寸由0.40 mm增加至1.2 mm時，過孔阻抗由57.1 ohm增加至61.7 ohm。這表明通過優(yōu)化過孔反焊盤尺寸，同樣可以起到改善過孔阻抗的連續(xù)性的效果。3.2、接地孔對過孔阻抗和損耗的影響對于一個4層板，當信號由頂層傳輸線轉(zhuǎn)至底層時，可能會出現(xiàn)兩種情況（見圖5）。圖5（A）表示信號過孔旁

8、沒有地孔的情況，此時信號通過過孔時，返回路徑通過兩地層返回，未受控的返回電流產(chǎn)生了地彈效應(yīng)，且信號通過過孔時產(chǎn)生的電磁波（EM）在兩底層上傳輸，導(dǎo)致電壓波動，引起信號完整性問題9-10。圖5（B）為增加接地孔情況，此時接地孔為過孔信號提供了完整的返回路徑，同時也為過孔信號提供了參考孔，從而提高了信號過孔的阻抗連續(xù)性，并減小信號損耗。這里主要研究了接地孔對過孔阻抗及損耗的影響。試驗在單端信號過孔旁增加了1至4個接地孔參考孔，研究了接地孔數(shù)量對單端過孔阻抗的影響，結(jié)果見圖6。由圖看出，過孔阻抗隨接地孔數(shù)量增加而降低。這是由于隨接地孔數(shù)量增加，信號過孔與地孔間電容增加，即調(diào)整接地孔數(shù)量可有效控制過孔

9、阻抗。圖7顯示了信號孔與接地孔距離對過孔阻抗的影響。由圖看出，當信號孔與接地孔距離由0.40 mm增加至0.70 mm時，過孔阻抗呈不斷增加趨勢。與傳輸線以地層作為參考層類似，增加接地孔后，信號過孔以接地孔為參考孔。當信號孔與接地孔距離增加后，信號孔與接地孔間電容降低，過孔阻抗增加。由此可見，通過調(diào)整信號孔與接地孔之間的距離，可實現(xiàn)對過孔阻抗的控制。通過以上試驗可以發(fā)現(xiàn)，當有4個接地孔圍繞在信號孔周圍時（效果見圖8），其結(jié)構(gòu)類似同軸電纜。此時單端過孔阻抗可通過同軸電纜阻抗公式（公式1）進行近似計算11。式中，D表示接地參考孔對角距離，d表示信號孔孔徑，為介質(zhì)層介電常數(shù)。通過公式（1）可以計算出

10、不同設(shè)計參數(shù)時的過孔阻抗，結(jié)果見表1。由表看出，過孔阻抗理論計算值與測量結(jié)果基本一致。這表明該結(jié)構(gòu)過孔的過孔阻抗可采用同軸電纜阻抗公式進行近似計算。圖9為過孔孔徑為0.20 mm、過孔長度為1.0 mm時接地孔及數(shù)量對過孔損耗的影響。由圖看出，增加接地孔后，過孔損耗明顯降低，且接地孔數(shù)量越多，過孔損耗越小。這是由于接地參考孔為過孔信號提供了完整的返回路徑，使過孔導(dǎo)致的阻抗不連續(xù)程度明顯降低，阻抗不連續(xù)引起的信號反射減弱，因此過孔損耗減小。增加接地孔后，還可以減弱信號過孔間的串擾，提高過孔信號傳輸質(zhì)量。同時，接地孔還可以避免輻射導(dǎo)致的EMC/EMI問題4。3.3 多余短柱對過孔阻抗和損耗的影響在

11、高速多層PCB中，當信號從頂層傳輸?shù)絻?nèi)部某層時，用通孔連接就會產(chǎn)生多余的導(dǎo)通孔短柱，短柱極大地影響著信號的傳輸質(zhì)量。當信號在通過過孔傳輸?shù)阶杩蛊ヅ涞牧硪粚泳€路時，會有一部分能量被傳遞到過孔的短柱上，而這一部分由于沒有任何的阻抗終結(jié)，所以可以被看作是全開路狀態(tài)，因此這個分支便會造成剩余能量的全反射，這大大地削弱了信號質(zhì)量，損壞了原始信號的完整性1。采用盲孔和埋孔，可有效避免短柱對信號完整性的影響，但該技術(shù)工藝復(fù)雜且成本高。而采用背鉆技術(shù)將信號孔中多余的短柱鉆掉，可獲得更好的過孔信號傳輸質(zhì)量，所以，研究短柱對過孔信號完整性的影響有助于平衡成本與性能。為研究短柱對過孔信號完整性的影響，試驗通過采用背

12、鉆技術(shù)，控制背鉆深度方法獲得了不同短柱長度的單端過孔。圖10為多余短柱長度對過孔阻抗的影響。由圖看出，當多余短柱長度由0.20 mm增加至0.80 mm時，過孔阻抗呈不斷下降趨勢；多余短柱長度每增加0.10 mm，過孔阻抗約下降0.40-0.90 ohm。這里還研究了多余短柱對過孔損耗的影響。圖11顯示了過孔多余短柱長度由0.20 mm增加至0.80 mm時過孔損耗變化情況。由圖看出，隨多余短柱長度的增加，過孔損耗呈現(xiàn)出明顯增加趨勢，且短柱越長諧振幅度越大；10GHz頻率下，多余短柱長度每增加0.10 mm，過孔損耗增加0.15 dB。試驗還表明，信號過孔孔徑越大，多余短柱對過孔阻抗、損耗的影

13、響越大。多余短柱會導(dǎo)致過孔電容增加，且短柱長度越大，電容越高，而電容增加會導(dǎo)致諧振頻率降低，從而使諧振點附近的損耗變大。諧振頻率與電容、電感關(guān)系可用公式（2）進行描述。圖12顯示了不同短柱長度情況下的諧振情況。由圖可以看出，多余短柱越長，諧振頻率越低。當短柱長度分別為0.20 mm、0.45 mm和0.80 mm時，各過孔第二次諧振頻率分別11.03 GHz、10.99 GHz、10.92 GHz，第三次諧振頻率分別為12.66 GHz、12.52GHz和12.39 GHz。4、結(jié)論通過對過孔設(shè)計參數(shù)孔徑、過孔長度、焊盤/反焊盤尺寸進行優(yōu)化可有效提高過孔阻抗連續(xù)性。當過孔長度小于1.0 mm時

14、，可通過對這4個設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，將過孔引起的阻抗變化控制在10%以內(nèi)。為過孔信號提供返回路徑，可實現(xiàn)對過孔阻抗的控制，并能降低過孔的信號損耗。采用4個接地參考孔時，過孔阻抗可通過同軸電纜阻抗公式近似計算。多余短柱會導(dǎo)致過孔阻抗降低，損耗增加。P=I2×R=U/(R+r)2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)=U2×R/(R-r)2+4×R×r=U2/(R-r)2/R+4×r對于一個給定的信號源,其內(nèi)阻r是固定的,而負載電阻R則是由我們來選擇的.注意式中(R-r)2/R,當R=r時,(R-r)2/R

15、可取得最小值0,這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r).即,當負載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時,負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一.對于純電阻電路,此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路.當交流電路中含有容性或感性阻抗時,結(jié)論有所改變,就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做共扼匹配.在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮(可以這么理解:因為線短,即使反射回來,跟原信號還是一樣的).從以上分析我們可以得出結(jié)論:如果我們

16、需要輸出電流大,則選擇小的負載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R.有時阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設(shè)計的,如果負載條件改變了,則可能達不到原來的性能,這時我們也會叫做阻抗失配.在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題.當信號的頻率很高時,則信號的波長就很短,當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時,反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀.如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等(即不匹配)時,在負載端就會產(chǎn)生反射.為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法,牽涉到二階偏微分方程的求解,在這里

17、我們不細說了,有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論.傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號的幅度、頻率等均無關(guān).例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75,而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50的同軸電纜.另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300的扁平平行線,這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見,用來做八木天線的饋線.因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75,所以300的饋線將與其不能匹配.實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機的附件中,有一個300到75的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個塑料封裝的,一端有一個圓形的插頭的那個東

18、東,大概有兩個大拇指那么大).它里面其實就是一個傳輸線變壓器,將300的阻抗,變換成75的,這樣就可以匹配起來了.這里需要強調(diào)一點的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念,它與傳輸線的長度無關(guān),也不能通過使用歐姆表來測量.為了不產(chǎn)生反射,負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等,這就是傳輸線的阻抗匹配,如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配,則會形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號強,有些地方信號弱),導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去,甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備.如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時,會產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等.當

19、阻抗不匹配時,有哪些辦法讓它匹配呢?第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換,就像上面所說的電視機中的那個例子那樣.第二,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調(diào)試射頻電路時常使用.第三,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法.一些驅(qū)動器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高速信號線,有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻.而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯(lián)電阻的方法,來跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻.為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題,我來舉兩個例子:假設(shè)你在練習(xí)拳擊打沙包.如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會感覺很舒服.但是,如果哪一天我把沙包做了手腳,例如,里面換成了鐵沙,你還是用以前的力打上去,你的手可能就會受不了了這就是負載過重的情況,會產(chǎn)生很大的反彈力.相反,如果我把里面換成了很輕很輕的東西,你一出拳,則可能會撲空,手也可能會受不了這就是負載過輕的情況.另一個例子,不知道大家有沒有過這