乾貨| 解決PCB設計阻抗沒法連續的問題,讀這篇就夠了!

2020-11-25 電子工程世界

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大家都知道阻抗要連續。但是，正如羅永浩所說「人生總有幾次踩到大便的時候」，PCB設計也總有阻抗不能連續的時候。怎麼辦？



特性阻抗：又稱「特徵阻抗」，它不是直流電阻，屬於長線傳輸中的概念。在高頻範圍內，信號傳輸過程中，信號沿到達的地方，信號線和參考平面（電源或地平面）間由於電場的建立，會產生一個瞬間電流。


如果傳輸線是各向同性的，那麼只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而如果信號的輸出電壓為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。


信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的結點產生反射。


影響特性阻抗的因素有：介電常數、介質厚度、線寬、銅箔厚度。


【1】漸變線


一些RF器件封裝較小，SMD焊盤寬度可能小至12mils，而RF信號線寬可能達50mils以上，要用漸變線，禁止線寬突變。漸變線如圖所示，過渡部分的線不宜太長。

【2】拐角


RF信號線如果走直角，拐角處的有效線寬會增大，阻抗不連續，引起信號反射。為了減小不連續性，要對拐角進行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應足夠大，一般來說，要保證：R>3W。如圖右所示。



【3】大焊盤


當50歐細微帶線上有大焊盤時，大焊盤相當於分布電容，破壞了微帶線的特性阻抗連續性。可以同時採取兩種方法改善：首先將微帶線介質變厚，其次將焊盤下方的地平面挖空，都能減小焊盤的分布電容。如下圖。



【4】過孔


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。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地層內的環形空隙，以防止到電源和接地層的短路。


過孔的寄生參數


若經過嚴格的物理理論推導和近似分析，可以把過孔的等效電路模型為一個電感兩端各串聯一個接地電容，如圖1所示。


過孔的等效電路模型


從等效電路模型可知，過孔本身存在對地的寄生電容，假設過孔反焊盤直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T,板基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似於：


過孔的寄生電容可以導致信號上升時間延長，傳輸速度減慢，從而惡化信號質量。同樣，過孔同時也存在寄生電感，在高速數字PCB中，寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容。


它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，從而減弱整個電源系統的濾波效用。假設L為過孔的電感，h為過孔的長度，d為中心鑽孔的直徑。過孔近似的寄生電感大小近似於：


過孔是引起RF 通道上阻抗不連續性的重要因素之一，如果信號頻率大於1GHz，就要考慮過孔的影響。


減小過孔阻抗不連續性的常用方法有：採用無盤工藝、選擇出線方式、優化反焊盤直徑等。優化反焊盤直徑是一種最常用的減小阻抗不連續性的方法。由於過孔特性與孔徑、焊盤、反焊盤、層疊結構、出線方式等結構尺寸相關，建議每次設計時都要根據具體情況用HFSS和Optimetrics進行優化仿真。


當採用參數化模型時，建模過程很簡單。在審查時，需要PCB設計人員提供相應的仿真文檔。


過孔的直徑、焊盤直徑、深度、反焊盤，都會帶來變化，造成阻抗不連續性，反射和插入損耗的嚴重程度。


【5】通孔同軸連接器


與過孔結構類似，通孔同軸連接器也存在阻抗不連續性，所以解決方法與過孔相同。減小通孔同軸連接器阻抗不連續性的常用方法同樣是：採用無盤工藝、合適的出線方式、優化反焊盤直徑。  


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