高速PCB中差分过孔分析与优化
发布时间：2021-01-06 19:33
信号完整性在高频高速电路中十分重要,差分过孔的不连续性会严重影响到信号的完整性,针对高速印制电路板（printed circuit board,PCB）中差分信号与共模信号对差分过孔的低反射、高传输和阻抗稳定的设计要求,首先建立差分过孔的等效物理模型与电路模型进行差分过孔的差分信号与共模信号的性能分析;然后在PCB层叠结构和布线模式设计的基础上运用三维电磁仿真软件HFSS设置不同的过孔中心距、反焊盘直径及地过孔数量,对差分过孔的时域阻抗、回波损耗、插入损耗进行仿真与分析,并利用S参数与时域内阻抗变化,分析过孔的差分性能和共模性能;最后通过仿真结果分析,得出过孔中心距38 mils（1 mil=0.025 4 mm）、反焊盘直径32 mils及使用双过孔地过孔的设置使差分信号和共模信号的性能最优,提出优化了差分过孔的性能的新思路,为高速差分过孔设计提供参考。
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
差分过孔物理模型
差分过孔物理模型的电路模型如图2所示,在图1的差分过孔物理模型中,过孔焊盘分别位于过孔的顶部、内部与底部,内部焊盘将信号线连接到过孔管上。在高频时,由于信号线上内部焊盘的电容将在传输线上引起分流电容干扰,因此上下内部焊盘引起的效应可使用两对电容等效表示,由于差分过孔对的对称性,这两对电容是分别相等的,即上焊盘C1=C2,下焊盘C3=C4,电容值由内部焊盘半径和反焊盘几何形状确定。如果过孔顶部与底部存在Stub,Stub部分将会对信号产生阻抗效应与电容效应,由于差分过孔对的对称性,可知C5=C6,C7=C8,当顶部与底部的Stub长度与结构一致时,即差分过孔的上下Stub部分呈对称性,各个Stub部分产生的阻抗效应与电容效应是相等的,即TL1=TL2,C5=C6=C7=C8,此时,因为过孔内部焊盘的几何形状是相同的,焊盘的有效面积也是一致的,可知C1=C2=C3=C4,并且内部焊盘之间互感电容也是相等的,即Cm1=Cm2。
差分过孔的俯视图如图3所示,在实际情况中,差分过孔的反焊盘为椭圆形,如图3 (a)所示。当模型中的通孔、盲孔或者埋孔满足以下条件:1)PCB中均匀地填充介电常数为Er的介电材料;2)有多个铜层。此时这种差分过孔结构可简化成简单的耦合双杆传输线进行分析[13],两个过孔可视为被连续的导电屏蔽的中心导体,椭圆形的反焊盘结构可被近似为矩形的反焊盘结构,如图3 (b)所示,因此可以运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线。图3中具有矩形反焊盘的双杆模型的奇模和偶模阻抗可用式(1)和(2)的闭式方程表示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]反焊盘设计及其对差分过孔高频特性影响分析[J]. 罗会容,何文浩. 江汉大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]高速BGA封装与PCB差分互连结构的设计与优化[J]. 高振斌,郝晓雪,李雅菲,王蒙军. 现代电子技术. 2017(22)
[3]高速传输电连接器差分阻抗优化[J]. 梁云忠,李红,伍权,徐卫平,胡圣波. 电子测量与仪器学报. 2017(03)
[4]差分过孔的结构分析与优化[J]. 周子翔. 电子科技. 2016(06)
[5]基于SIwave和Designer的差分过孔仿真分析[J]. 麻勤勤,石和荣,孟宏峰. 电子测量技术. 2016(01)
[6]差分过孔的高频特性仿真分析[J]. 赵玲宝,陈清华. 电讯技术. 2014(04)
[7]高速串行通道的信号完整性问题分析[J]. 高晓宇,杨龙剑. 通信技术. 2013(06)
[8]高速并行总线信号完整性分析设计[J]. 倪芸,姚晓东. 电子测量技术. 2013(04)
[9]FC-CBGA封装中高速差分信号过孔的设计与优化[J]. 胡晋,金利峰,郑浩. 微电子学. 2011(06)
[10]传输线耦合下的差分对共模特性分析[J]. 丁同浩,李玉山. 仪器仪表学报. 2011(07)
本文编号：2961140
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
差分过孔物理模型
差分过孔物理模型的电路模型如图2所示,在图1的差分过孔物理模型中,过孔焊盘分别位于过孔的顶部、内部与底部,内部焊盘将信号线连接到过孔管上。在高频时,由于信号线上内部焊盘的电容将在传输线上引起分流电容干扰,因此上下内部焊盘引起的效应可使用两对电容等效表示,由于差分过孔对的对称性,这两对电容是分别相等的,即上焊盘C1=C2,下焊盘C3=C4,电容值由内部焊盘半径和反焊盘几何形状确定。如果过孔顶部与底部存在Stub,Stub部分将会对信号产生阻抗效应与电容效应,由于差分过孔对的对称性,可知C5=C6,C7=C8,当顶部与底部的Stub长度与结构一致时,即差分过孔的上下Stub部分呈对称性,各个Stub部分产生的阻抗效应与电容效应是相等的,即TL1=TL2,C5=C6=C7=C8,此时,因为过孔内部焊盘的几何形状是相同的,焊盘的有效面积也是一致的,可知C1=C2=C3=C4,并且内部焊盘之间互感电容也是相等的,即Cm1=Cm2。
差分过孔的俯视图如图3所示,在实际情况中,差分过孔的反焊盘为椭圆形,如图3 (a)所示。当模型中的通孔、盲孔或者埋孔满足以下条件:1)PCB中均匀地填充介电常数为Er的介电材料;2)有多个铜层。此时这种差分过孔结构可简化成简单的耦合双杆传输线进行分析[13],两个过孔可视为被连续的导电屏蔽的中心导体,椭圆形的反焊盘结构可被近似为矩形的反焊盘结构,如图3 (b)所示,因此可以运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线。图3中具有矩形反焊盘的双杆模型的奇模和偶模阻抗可用式(1)和(2)的闭式方程表示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]反焊盘设计及其对差分过孔高频特性影响分析[J]. 罗会容,何文浩. 江汉大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]高速BGA封装与PCB差分互连结构的设计与优化[J]. 高振斌,郝晓雪,李雅菲,王蒙军. 现代电子技术. 2017(22)
[3]高速传输电连接器差分阻抗优化[J]. 梁云忠,李红,伍权,徐卫平,胡圣波. 电子测量与仪器学报. 2017(03)
[4]差分过孔的结构分析与优化[J]. 周子翔. 电子科技. 2016(06)
[5]基于SIwave和Designer的差分过孔仿真分析[J]. 麻勤勤,石和荣,孟宏峰. 电子测量技术. 2016(01)
[6]差分过孔的高频特性仿真分析[J]. 赵玲宝,陈清华. 电讯技术. 2014(04)
[7]高速串行通道的信号完整性问题分析[J]. 高晓宇,杨龙剑. 通信技术. 2013(06)
[8]高速并行总线信号完整性分析设计[J]. 倪芸,姚晓东. 电子测量技术. 2013(04)
[9]FC-CBGA封装中高速差分信号过孔的设计与优化[J]. 胡晋,金利峰,郑浩. 微电子学. 2011(06)
[10]传输线耦合下的差分对共模特性分析[J]. 丁同浩,李玉山. 仪器仪表学报. 2011(07)
本文编号：2961140
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