通過基礎(chǔ)知識和差分過孔設(shè)計

在高速印刷電路板（PCB）中，通孔因降低信號完整性而受到批評。但是，通孔的使用是不可避免的。在標準PCB上，組件放置在頂層，而差分對走線位于內(nèi)層。 內(nèi)層具有較低的電磁輻射和線對之間的串擾。必須使用過孔將PCB平面上的組件連接到內(nèi)層。幸運的是，可以設(shè)計一個透明的通孔以最大程度地減少對性能的影響。
1.通孔結(jié)構(gòu)的基本知識
讓我們開始研究通過簡單通孔將頂部傳輸線連接到內(nèi)層的組件。圖。圖1是示出通孔結(jié)構(gòu)的3D視圖。共有四個基本組件：信號過孔，過孔，過孔焊盤和隔離焊盤。
通孔是金屬圓柱，從電路板的頂層和底層之間的通孔中電鍍出來。信號過孔將傳輸線連接在不同的層上。通孔樁是通孔的未使用部分。通孔焊盤是類似于圓環(huán)-的焊盤，它們將通孔連接到頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地平面中的圓形間隙，以防止電源和接地平面短路。
單個過孔的3D視圖
圖1：單個過孔的3D視圖
2.通孔組件的電氣特性
如表1所示，讓我們仔細研究每個通孔組件的電性能。
通孔組件的電氣特性
表1：圖1所示的過孔組件的電氣特性
一個簡單的過孔是一系列π型網(wǎng)絡，由形成在兩個相鄰層中的電容器-電感器-電容器（C-L-C）元素組成。表2顯示了通孔尺寸的影響。
通孔尺寸的直觀影響
表2：過孔尺寸的直觀影響
通過平衡電感器和寄生電容器的尺寸，可以設(shè)計出具有與傳輸線相同的特性阻抗的通孔，這樣就不會對電路板的操作產(chǎn)生特殊的影響。沒有簡單的公式可以在通孔尺寸與C和L分量之間進行轉(zhuǎn)換。 3D電磁（EM）場求解器可以根據(jù)PCB布局中使用的尺寸來預測結(jié)構(gòu)阻抗。通過反復調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸并運行3D模擬，可以優(yōu)化通孔尺寸，以實現(xiàn)所需的阻抗和帶寬要求。

3.設(shè)計透明的差分過孔
實施差分對時，線A和線B必須高度對稱。這些對在同一層上路由。如果需要通孔，則必須在兩條線附近打一個孔。因為差分對的兩個通孔非常靠近，所以兩個通孔共享的橢圓形隔離盤可以減少寄生的電容，而不是使用兩個單獨的隔離盤。接地過孔也放置在每個過孔的旁邊，以便它們可以為A和B過孔提供接地返回路徑。
圖2顯示了接地信號信號接地（GSSG）差分過孔結(jié)構(gòu)的示例。兩個相鄰通孔之間的距離稱為通孔間距。通孔間距越小，相互耦合電容越大。
GSSG 差分過孔，帶背面鉆孔
圖2：帶有背面鉆孔的GSSG 差分過孔
不要忘記，當傳輸速率超過10Gbps時，via stub會嚴重影響高速信號的完整性。幸運的是，有一種背面鉆孔的PCB制造工藝，可以在未使用的氣缸上鉆孔。根據(jù)不同的制造工藝公差，反向鉆孔可去除未使用的通孔金屬，并將通孔的殘留根最小化至小于10百萬。
3D EM仿真器用于根據(jù)所需的阻抗和帶寬來設(shè)計差分過孔。這是一個反復的過程。此過程反復調(diào)整通孔大小并運行EM仿真，直到獲得所需的阻抗和帶寬。
4.如何驗證性能
圖2所示的差分過孔設(shè)計已經(jīng)過構(gòu)建和測試。試件包括在頂層的一對差分線，然后是內(nèi)部差分線的差分過孔，然后將第二對差分過孔連接到球形引腳柵格陣列封裝（BGA）的頂部頂層的接地墊。信號路徑的總長度約為1330百萬。我使用差分時域反射儀（TDR）測量了差分阻抗，使用網(wǎng)絡分析儀測量了帶寬，并使用高速示波器測量了數(shù)據(jù)眼圖以了解其對信號的影響。圖3、4和5分別顯示了阻抗，帶寬和眼圖。左圖顯示了使用背孔鉆時的測試結(jié)果，右圖顯示了不進行背鉆時的測試結(jié)果。在圖5的帶寬波特圖中，我們可以清楚地看到反向鉆探對于在大于10Gbps的數(shù)據(jù)速率下實現(xiàn)高性能至關(guān)重要。
TDR電阻抗波特圖
圖3：TDR電阻抗波特圖（左：帶反鉆的ZDIFF約為85Ω；右：無反鉆的ZDIFF約為58Ω）
頻率響應
圖4：頻率響應（左：12.5GHz時的插入損耗約為3dB；右：12.5GHz時的插入損耗大于8dB）
25Gbps時的數(shù)據(jù)眼圖