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    PCB設計總是有阻抗不連續,如何解決?

    2020-10-09
    來源:與非網

      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。怎么辦?

      特性阻抗:又稱“特征阻抗”,它不是直流電阻,屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內,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)間由于電場的建立,會產生一個瞬間電流。

      如果傳輸線是各向同性的,那么只要信號在傳輸,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,大焊盤相當于分布電容,破壞了微帶線的特性阻抗連續性??梢酝瑫r采取兩種方法改善: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于:

      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于寄生電容。

      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 為中心鉆孔的直徑。過孔近似的寄生電感大小近似于:

      過孔是引起 RF 通道上阻抗不連續性的重要因素之一,如果信號頻率大于 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:采用無盤工藝、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。由于過孔特性與孔徑、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。

      當采用參數化模型時,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:采用無盤工藝、合適的出線方式、優化反焊盤直徑。

             


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