優(yōu)化數(shù)字視頻設(shè)備的BNC連接器PCB占位設(shè)計(jì)

如今越來越多的視頻設(shè)備以千兆位速率運(yùn)行，它們通過相對(duì)較大的同軸BNC連接器互連。雖然這些連接器一般都具有良好的質(zhì)量，但它們?cè)谠O(shè)備中的性能表現(xiàn)卻取決于它們?cè)赑CB上貼裝得如何。非優(yōu)化的連接器占位設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致阻抗失配、反射、信號(hào)損耗，并降低設(shè)備的信號(hào)保真度。BNC占位PCB布局設(shè)計(jì)任務(wù)，一般由線路布線設(shè)計(jì)師和硬件工程師負(fù)責(zé)，但他們通常沒有時(shí)間或適合的工具順利完成任務(wù)。本文介紹了BNC占位設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見問題，并以插圖說明了邊緣貼裝和插入式連接器的占位設(shè)計(jì)示例。這些連接器可與美國國家半導(dǎo)體的LMH0384 3G/HD/SD自適應(yīng)電纜均衡器、LMH0303電纜驅(qū)動(dòng)器及LMH0387可配置I/O器件搭配使用。

BNC的類型

視頻設(shè)備在歷史上一直將BNC與75歐姆同軸電纜搭配使用。視頻畫面過去以標(biāo)清速率(270Mbps)傳輸，后來升至高清速率(1.485Gbps)，現(xiàn)已轉(zhuǎn)換到3Gbps.BNC連接器須在信號(hào)損耗最小的情況下支持3Gbps的信號(hào)傳輸，同時(shí)還要保持75?的特征阻抗，并將反射降至最低。

許多連接器供應(yīng)商都根據(jù)PCB上的貼裝方式提供不同類型的BNC.基于機(jī)械方面的考慮，這些連接器可以采用垂直貼裝、直角貼裝或邊緣貼裝。在電氣方面，信號(hào)引腳要么表面貼裝在電路板頂層的連接焊盤上，要么焊接在金屬化通孔內(nèi)，信號(hào)布線則位于電路板的另一面。

BNC的測(cè)試

BNC是一種同軸連接器，專為支持高達(dá)3Gbps的視頻傳輸而設(shè)計(jì)，其性能主要取決于BNC內(nèi)的同軸結(jié)構(gòu)，從BNC連接器至PCB的轉(zhuǎn)換將嚴(yán)重影響B(tài)NC的性能。設(shè)計(jì)良好的BNC占位對(duì)保持BNC帶寬及其特征阻抗必不可少。

時(shí)域反射計(jì)(TDR)是快速檢驗(yàn)無信號(hào)引腳或占位的BNC同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能的一個(gè)很好的工具。進(jìn)行該測(cè)試的簡單方法是用扁平金屬片使BNC的信號(hào)引腳與其屏蔽引腳短路，然后向BNC內(nèi)發(fā)射TDR階躍脈沖。通過測(cè)量從發(fā)射的TDR階躍脈沖反射回的信號(hào)，儀表即可測(cè)出在階躍脈沖傳輸期間的阻抗。

此直角BNC具有均勻的同軸結(jié)構(gòu)，其75Ω特征阻抗在BNC內(nèi)幾乎保持不變，因此其占位應(yīng)設(shè)計(jì)成具有與BNC相同的特征阻抗。

此直角BNC的同軸結(jié)構(gòu)有不均勻的征兆，在直角彎曲處，特征阻抗從標(biāo)稱的75Ω開始下降。在此情況下，其占位可以設(shè)計(jì)相對(duì)略高的特征阻抗以彌補(bǔ)BNC的缺陷。

此直角BNC說明其同軸結(jié)構(gòu)有多種不均勻的征兆，在直角彎曲處，它難以保持其特征阻抗。在此情況下，很難為BNC提供具有良好回波損耗性能的占位。

BNC至電路板連接中的常見問題

大多數(shù)表面貼裝BNC連接器具有直徑大約為30~40mil的大信號(hào)引腳。為將信號(hào)引腳正確焊接在PCB上，需要寬約50mil的連接焊盤。為便于布線，通常會(huì)使用8~15mil的較細(xì)表面走線，將信號(hào)從BNC連接器傳送至多引腳數(shù)量的集成電路。

未經(jīng)優(yōu)化的邊緣貼裝BNC占位的俯視圖和截面圖。為實(shí)現(xiàn)75?特征阻抗，專門設(shè)計(jì)了一條12mil的微帶線，安置在GND層上方15mil處。BNC的連接焊盤相當(dāng)于50mil的微帶線。由于在焊盤下方15mil處有GND層，所以焊盤的特征阻抗大大低于走線的特征阻抗。焊盤導(dǎo)致阻抗大幅下降，這將會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量并增加寄生電容，從而減小BNC帶寬。

大多數(shù)視頻設(shè)備會(huì)使用插入式BNC，因?yàn)樗哂懈玫馁N裝魯棒性。BNC通常會(huì)貼裝在電路板的頂層，其信號(hào)引腳焊接在較大的金屬化通孔內(nèi)，信號(hào)布線則位于電路板的底層。圖8顯示了未經(jīng)優(yōu)化的插入式BNC占位的俯視圖和截面圖。內(nèi)部接地層和電源層與金屬化通孔隔離，以免信號(hào)引腳短路。金屬化通孔的圓柱形金屬柱會(huì)產(chǎn)生少量電感。每個(gè)內(nèi)部電源層都會(huì)為金屬化通孔提供寄生電容，具體容量取決于內(nèi)部電源層與金屬柱之間的間隙。間隙小的大金屬化通孔會(huì)產(chǎn)生過高的電容，從而導(dǎo)致阻抗大幅下降。如果信號(hào)布線在BNC的同一層，金屬化通孔就會(huì)成為懸掛在信號(hào)走線上的殘端，并產(chǎn)生較大的寄生電容，甚至導(dǎo)致更大幅度的阻抗下降。

未經(jīng)優(yōu)化的信號(hào)發(fā)射帶來的影響

美國電影與電視工程師協(xié)會(huì)(SMPte)發(fā)布了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用于管理通過同軸電纜的數(shù)字視頻傳輸。這些SMPTE標(biāo)準(zhǔn)包括輸入和輸出回波損耗要求，主要規(guī)定了輸入或輸出端口與75Ω網(wǎng)絡(luò)的匹配度。不良BNC或未經(jīng)優(yōu)化的BNC占位會(huì)導(dǎo)致阻抗失配，使其難以通過SMPTE回波損耗限制。

嚴(yán)重的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致反射，從而對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，并且還會(huì)縮小數(shù)據(jù)眼圖的電壓或時(shí)序裕度。信號(hào)發(fā)射中的過高寄生電容會(huì)降低信號(hào)路徑的帶寬，并導(dǎo)致符號(hào)間的干擾和抖動(dòng)。

BNC的選擇

如何選擇BNC主要取決于BNC的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及與設(shè)備外殼的兼容性。在電氣方面，要求BNC能在插入損耗較低的情況下支持高達(dá)3Gbps的傳輸，同時(shí)還要求在其同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)保持均勻性和幾乎恒定的特征阻抗。它們最好具有較小的信號(hào)引腳，這樣可在進(jìn)行占位設(shè)計(jì)時(shí)盡量使用最小的通孔或連接焊盤，以便將阻抗的不連續(xù)性降至最低。

透明的BNC占位——表面貼裝BNC

透明的占位(transparent footprint)是指其具有與BNC連接器相同的特征阻抗，且不會(huì)顯著增加影響B(tài)NC帶寬的電路寄生值。下面探討幾種方法，其中一種有效方法是排查信號(hào)路徑、尋找偏離目標(biāo)阻抗的電路板幾何圖形，并提出將阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值的方法。

表面貼裝BNC，則大的連接焊盤將導(dǎo)致阻抗大幅下降。提高其阻抗需要使用較大的電介質(zhì)間隔(H>>15mil)，但這并不是可選方案。提高焊盤阻抗的方法之一是移除焊盤下方的一個(gè)或多個(gè)層，以消除過高的寄生電容。開口尺寸通常設(shè)計(jì)為能提供剛好足夠的邊緣電容，以將連接焊盤的阻抗恢復(fù)至其目標(biāo)值。在焊盤下方移除層的技術(shù)。占位取決于第一個(gè)GND層的位置，以及電路板中電源層的位置和數(shù)量。

在此示例中，移除焊盤下方所有的層。此步驟會(huì)將焊盤的特征阻抗提高到75Ω(此示例的目標(biāo)阻抗)以上。為了使阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值75Ω，在焊盤的兩端增加了接地金屬片。這些接地片安置在焊盤預(yù)先定義的距離處，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實(shí)現(xiàn)所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與電路板堆疊完全無關(guān)，因此可在多層電路板設(shè)計(jì)中重復(fù)使用。

透明的BNC占位——插入式BNC

對(duì)于插入式BNC，其占位由金屬化通孔及其引出線兩部分結(jié)構(gòu)組成。金屬化通孔直徑通常為30~50mil.為使金屬化通孔的阻抗保持為75Ω，在電源層中需要使用大間隙(反焊盤)。反焊盤尺寸決定于金屬化通孔直徑以及電路板中的電源層數(shù)量。使用大的反焊盤后，反焊盤區(qū)域內(nèi)的引出線將喪失其GND參考，其阻抗就會(huì)增加。為解決此問題，需要將短金屬片延長至反焊盤內(nèi)，以保證引出線的阻抗。底層引出線上方的第一個(gè)電源層需要延長金屬片，其寬度通常為走線寬度的3~5倍。

在此示例中，底部金屬層上加寬的引出線任意一側(cè)都安置了兩個(gè)GND接地片。這些接地片安置在引出線預(yù)先定義好的位置上，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實(shí)現(xiàn)短引出線所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能獨(dú)立調(diào)節(jié)電源層中的反焊盤以控制金屬化通孔阻抗，且能獨(dú)立調(diào)節(jié)接地保護(hù)片間隙以控制引出線阻抗。

BNC占位設(shè)計(jì)優(yōu)化

BNC占位設(shè)計(jì)涉及在GND和VCC內(nèi)層安置反焊盤或移除層，或安置表面GND接地片，以產(chǎn)生剛好足夠的寄生電容來保證所需的特征阻抗。占位取決于BNC的信號(hào)引腳直徑，以及電路板中的電源層數(shù)量。在某些情況下，占位可以設(shè)計(jì)成偏離標(biāo)稱的75Ω以彌補(bǔ)BNC本身輕微的缺陷。硬件工程師必須根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化BNC占位，在多數(shù)情況下，常常會(huì)進(jìn)行多次電路板重設(shè)計(jì)。

使用三維電磁仿真可以優(yōu)化BNC占位設(shè)計(jì)。從BNC的三維模型(機(jī)械維度和材料特性)開始，將建議的占位結(jié)構(gòu)和電路板特性(走線寬度、層疊和材料特性)輸入3D EM仿真器。執(zhí)行頻域仿真以確保符合有關(guān)回波損耗和插入損耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還可以執(zhí)行仿真TDR來檢查BNC和占位的阻抗曲線。

BNC供應(yīng)商有完整的BNC模型，在客戶輸入電路板堆疊的情況下運(yùn)行此仿真，是全面了解BNC模型的最好方法之一。本部分給出的仿真示例由連接器供應(yīng)商Samtec公司提供。

本文小結(jié)

本文討論了BNC占位設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見問題，并介紹了透明的占位設(shè)計(jì)的幾種設(shè)計(jì)方法。最佳的設(shè)計(jì)是使用具有最小信號(hào)引腳的連接器，從而無需設(shè)計(jì)任何特殊電路板結(jié)構(gòu)。對(duì)于信號(hào)引腳較大的連接器，無論是邊緣貼裝還是插入類型，均可采用具有良好性能的受控阻抗占位。請(qǐng)務(wù)必使用最小的焊盤或孔。排查信號(hào)路徑、逐一檢查電路板結(jié)構(gòu)、尋找路徑中的寄生電感和電容，并找出消除過高阻抗以及將阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值的方法。

本文所用的原則不僅適用于占位設(shè)計(jì)，對(duì)其它元件的連接焊盤也同樣有效。高速電路板設(shè)計(jì)不再是點(diǎn)A至點(diǎn)B的簡單連接。許多細(xì)微的布局決策都會(huì)影響電氣性能。三維電磁仿真工具可幫助工程師進(jìn)行重要布局決策，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電氣性能。時(shí)域反射計(jì)是進(jìn)行電路板調(diào)試和識(shí)別阻抗變化位置的有用儀表。良好的信號(hào)發(fā)射是獲得良好信號(hào)質(zhì)量，以及滿足回波損耗要求和電路板上其它電路要求的基本。