阻抗受控的通孔之設(shè)計

1、阻抗受控的通孔之設(shè)計阻抗受控的通孔之設(shè)計技術(shù)分類：EDA工具與服務(wù)ThomasNeu，德州儀器公司發(fā)表時間：20040130要想保持印制電路板信號完整性，就應(yīng)該采用能使印制線阻抗得到精確匹配的層間互連（通孔）這樣一種獨特方法。隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號完整性對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行至關(guān)重要。電路板設(shè)計人員試圖消除高速信號路徑上的每一個阻抗失配，因為這些阻抗失配會產(chǎn)生信號抖動并降低數(shù)據(jù)眼的張開程度——從而不僅縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖?/p>

2、大距離，而且還將諸如SO（同步光網(wǎng)絡(luò)）或XAUI（10Gb附屬單元接口）等通用抖動規(guī)范的余量降到最低程度。由于印刷電路板上的信號密度的提高，就需要更多的信號傳輸層，而且通過層間互連（通孔）實現(xiàn)傳輸也是不可避免的。過去，通孔代表一種產(chǎn)生信號失真的重要來源，因為其阻抗通常大約為25~35Ω。這么大的阻抗不連續(xù)性會使數(shù)據(jù)眼圖的張開程度降低3dB，并會依據(jù)數(shù)據(jù)速率大小而產(chǎn)生大量的抖動。結(jié)果，電路板設(shè)計人員要么嘗試避免在高速線路上使用通孔，要么嘗

3、試采用新技術(shù)，例如鏜孔或盲孔。這些方法雖然有用，但卻會增加復(fù)雜度并大大提高電路板成本。可以利用一種新的“類似同軸的”通孔結(jié)構(gòu)來避免標(biāo)準(zhǔn)通孔出現(xiàn)的嚴(yán)重阻抗失配問題。這種結(jié)構(gòu)以一種特殊的配置將接地通孔放置在信號通孔四周。采用這種技術(shù)設(shè)計的通孔在TDR（時域反射計）曲線上顯示阻抗不連續(xù)性低于4%（502Ω）和信號質(zhì)量有所改善。這種新方法產(chǎn)生一個阻抗可調(diào)的垂直通道。開發(fā)人員利用信號線在中心的簡單同軸模型產(chǎn)生這種通孔結(jié)構(gòu)；四周的接地屏蔽產(chǎn)生一個均

4、勻分布的阻抗。四個在中心信號通孔四周排成一圈的接地通孔取代了均勻的接地屏蔽（圖1）。因為這四個外通孔都連接到印制電路板接地或VDD（電源），所以它們攜帶電荷，而且其中每一個通孔與信號通孔之間形成電容。電容量的計算取決于通孔直徑、介電常數(shù)以及信號通孔和接地通孔之間的距離。中心通孔的間隙（凹緣）“觸及”外層通孔，所以電容量沿垂直通道均勻分布——防止每一電源平面和接地平面的電容量急劇增加。外側(cè)的接地通孔為信號返回電流提供路徑，并在信號通孔和接

5、地通孔之間形成一個電感回路。圖1印制電路板層間互連設(shè)計的新技術(shù)提供可預(yù)測的路徑阻抗和改進(jìn)的信號完整性。你可以利用簡單的公式（參考文獻(xiàn)1）計算出由一個接地通孔與信號通孔形成的電容量和電感量。計算時，你可以假定這兩個通孔實質(zhì)上是兩根直徑相同的導(dǎo)線。D為通孔的直徑，a為信號通孔和接地通孔之間的中心距。一對通孔的電感L的計算公式為：一對通孔的電容C計算公式為：因為主要由5個通孔構(gòu)成的垂直通道是均勻的，因此一對通孔的的阻抗Z的計算公式為：公式1計

6、算了標(biāo)準(zhǔn)雙線系統(tǒng)的電容量。改進(jìn)的通孔結(jié)構(gòu)增加了三個額外的接地通孔，所以信號通孔中的正電荷量保持不變，但所有圖3這種S21曲線示出了用綠色表示的阻抗受控通孔和用黃色表示的常規(guī)通孔。TDR測量的一個缺點是，測量結(jié)果是與設(shè)備上升時間相關(guān)的。它沒有顯示離散頻率不連續(xù)性的頻率響應(yīng)。一種驗證和比較通孔阻抗失配的更好方法是觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21散射參數(shù)（圖3）。S21曲線示出了特定頻率的信號是如何通過傳輸線通道的而其它頻率的信號是如何被反射或衰減的。

7、圖3示出了TDR測量中兩個通道的S21曲線。兩個通道是相同的，唯一的差別是一個通道具有改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)（綠色曲線），而另一個通道具有常規(guī)通孔（黃色曲線）。這種改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)表明頻率響應(yīng)極好，第一諧振出現(xiàn)在大約10GHz處。另一方面，常規(guī)通孔表明，即使阻抗失配很小，在整個頻率段內(nèi)仍有多重反射。這些反射導(dǎo)致信號在某些頻率比其它頻率衰減得更大，因而進(jìn)一步降低了高速信號的質(zhì)量。圖4試驗人員開發(fā)了一塊既有標(biāo)準(zhǔn)通孔又有改進(jìn)的阻抗通孔的測試電路板，用以