PCB設(shè)計中通孔的阻抗控制及其對信號完整性的影響

通孔在連接多層PCB的不同層上的走線方面起著導(dǎo)體的作用（印刷電路板）。在低頻情況下，過孔不會影響信號傳輸。但是，隨著頻率的升高（高于1 GHz）和信號的上升沿變得陡峭（最多1ns），過孔不能簡單地視為電連接的函數(shù)，而是必須仔細考慮過孔對信號完整性的影響。通孔表現(xiàn)為傳輸線上阻抗不連續(xù)的斷點，導(dǎo)致信號反射。然而，通孔帶來的問題更多地集中在寄生電容和寄生電感上。過孔寄生電容對電路的影響主要是延長信號的上升時間并降低電路的運行速度。但是，寄生電感會削弱旁路電路的作用并降低整個電源系統(tǒng)的濾波功能。

通孔對阻抗連續(xù)性的影響

根據(jù)通孔存在和通孔不存在時的TDR（時域反射儀）曲線，在通孔不存在的情況下確實發(fā)生明顯的信號延遲。在不存在通孔的情況下，向第二測試孔傳輸信號的時間跨度為458ps，而在存在通孔的情況下，向第二測試孔傳輸信號的時間跨度為480ps。因此，通過引線將信號延遲22ps。

信號延遲主要由通孔的寄生電容引起，可通過以下公式得出：

在該式中，d 2是指焊盤直徑（mm）在地面上，d 1是指焊盤通孔的直徑（mm），T為PCB板厚度（mm），εr 參考層的介電常數(shù)C到寄生電容（ pF）。

在本討論中，通孔的長度為0.96mm，通孔直徑為0.3mm，焊盤的直徑為0.5mm，介電常數(shù)為4.2，涉及上述公式，計算出的寄生電容約為0.562pF。對于電阻為50Ω的信號傳輸線，此過孔將導(dǎo)致信號的上升時間發(fā)生變化，其變化量由以下公式計算：

根據(jù)上面介紹的公式，由通孔電容引起的上升時間變化為30.9ps，比測試結(jié)果（22ps）長9ps，這表明理論結(jié)果和實際結(jié)果之間確實存在變化。

總之，通孔寄生電容引起的信號延遲不是很明顯。然而，就高速電路設(shè)計而言，應(yīng)特別注意在跟蹤中應(yīng)用過孔的多層轉(zhuǎn)換。

與寄生電容相比，過孔具有的寄生電感會導(dǎo)致更多的電路損壞。通孔的寄生電感可以通過以下公式得出：

在該公式中，L表示通孔的寄生電感（nH），h表示通孔的長度（mm），d表示通孔的直徑（mm）。通孔寄生電感引起的等效阻抗可以通過以下公式計算得出：

測試信號的上升時間為500ps，等效阻抗為4.28Ω。但是通孔導(dǎo)致的阻抗變化達到12Ω以上，這表明測量值與理論計算值存在極大的差異。

通孔直徑對阻抗連續(xù)性的影響

根據(jù)一系列實驗，可以得出結(jié)論，通孔直徑越大，通孔的不連續(xù)性就越大。在高頻，高速PCB設(shè)計過程中，通常將阻抗變化控制在±10％的范圍內(nèi)，否則可能會產(chǎn)生信號失真。

焊盤尺寸對阻抗連續(xù)性的影響

寄生電容對高頻信號頻帶內(nèi)的諧振點具有極大的影響，帶寬會隨著寄生電容而發(fā)生偏移。影響寄生電容的主要因素是焊盤尺寸，其對信號完整性的影響相同。因此，焊盤直徑越大，阻抗不連續(xù)性就會越強。

當(dāng)焊盤直徑在0.5mm至1.3mm范圍內(nèi)變化時，由通孔引起的阻抗不連續(xù)性將不斷減小。當(dāng)焊盤尺寸從0.5mm增加到0.7mm時，阻抗將具有相對較大的變化幅度。隨著焊盤尺寸的不斷增加，通孔阻抗的變化將變得平滑。因此，焊盤直徑越大，通孔引起的阻抗不連續(xù)性越小。

通過信號的返回路徑

返回信號流的基本原理是，高速返回信號電流沿最低電感路徑流動。由于PCB板包含一個以上的接地層，因此返回信號電流直接沿著信號線下方最靠近信號線的接地層的一條路徑流動。當(dāng)所有信號電流從一個點流到另一點時都沿著同一平面流動時，如果信號通過通孔從一個點流到另一個點，那么當(dāng)接地時，返回信號電流將不會跳躍。

在高速PCB設(shè)計中，可以通過信號電流提供返回路徑，以消除阻抗失配。圍繞過孔，接地過孔可以設(shè)計成為信號電流提供返回路徑，并在信號過孔和接地過孔之間產(chǎn)生電感環(huán)路。即使由于過孔的影響而導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，電流也將能夠流向電感環(huán)路，從而改善信號質(zhì)量。

通孔的信號完整性

S參數(shù)可用于評估通孔對信號完整性的影響，表示通道中所有成分的特性，包括損耗，衰減和反射等。根據(jù)本文利用的一系列實驗，表明接地通孔能夠減小傳輸損耗，并且在通孔周圍形成更多的接地通孔，傳輸損耗將更低。通過在過孔周圍添加接地孔可以在一定程度上減少過孔引起的損耗。

根據(jù)上述內(nèi)容可以得出兩個結(jié)論：
1、通孔引起的阻抗不連續(xù)性受通孔直徑和焊盤尺寸的影響。通孔直徑和焊盤直徑越大，引起的阻抗不連續(xù)性將越嚴重。通孔引起的阻抗不連續(xù)性通常會隨著焊盤尺寸的增加而減小。
2、添加接地通孔可以明顯改善通孔阻抗不連續(xù)性，可以將其控制在±10％的范圍內(nèi)。此外，添加接地通孔還可以明顯提高信號完整性。

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