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[導(dǎo)讀]大家都知道阻抗要連續(xù),但是,正如羅永浩所說“人生總有幾次踩到大便的時候”,PCB設(shè)計也總有阻抗不能連續(xù)的時候。怎么辦? 特性阻抗:又稱“特征阻抗”,它不是直流電阻,屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內(nèi),

大家都知道阻抗要連續(xù),但是,正如羅永浩所說“人生總有幾次踩到大便的時候”,PCB設(shè)計也總有阻抗不能連續(xù)的時候。怎么辦?


特性阻抗:又稱“特征阻抗”,它不是直流電阻,屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內(nèi),信號傳輸過程中,信號沿到達的地方,信號線和參考平面(電源或地平面)間由于電場的建立,會產(chǎn)生一個瞬間電流,如果傳輸線是各向同性的,那么只要信號在傳輸,就始終存在一個電流I,而如果信號的輸出電平為V,在信號傳輸過程中,傳輸線就會等效成一個電阻,大小為V/I,把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。信號在傳輸?shù)倪^程中,如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化,信號就會在阻抗不連續(xù)的結(jié)點產(chǎn)生反射。影響特性阻抗的因素有:介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、銅箔厚度。
【1】漸變線
一些RF器件封裝較小,SMD焊盤寬度可能小至12mils,而RF信號線寬可能達50mils以上,要用漸變線,禁止線寬突變。漸變線如圖所示,過渡部分的線不宜太長。


【2】拐角
RF信號線如果走直角,拐角處的有效線寬會增大,阻抗不連續(xù),引起信號反射。為了減小不連續(xù)性,要對拐角進行處理,有兩種方法:切角和圓角。圓弧角的半徑應(yīng)足夠大,一般來說,要保證:R>3W。如圖右所示。


【3】大焊盤
當(dāng)50歐細(xì)微帶線上有大焊盤時,大焊盤相當(dāng)于分布電容,破壞了微帶線的特性阻抗連續(xù)性??梢酝瑫r采取兩種方法改善:首先將微帶線介質(zhì)變厚,其次將焊盤下方的地平面挖空,都能減小焊盤的分布電容。如下圖。


【4】過孔
過孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過孔連接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環(huán)狀墊片,它們將過孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙,以防止到電源和接地層的短路。


過孔的寄生參數(shù)
若經(jīng)過嚴(yán)格的物理理論推導(dǎo)和近似分析,可以把過孔的等效電路模型為一個電感兩端各串聯(lián)一個接地電容,如圖1所示。


過孔的等效電路模型


從等效電路模型可知,過孔本身存在對地的寄生電容,假設(shè)過孔反焊盤直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:


過孔的寄生電容可以導(dǎo)致信號上升時間延長,傳輸速度減慢,從而惡化信號質(zhì)量。同樣,過孔同時也存在寄生電感,在高速數(shù)字PCB中,寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻,從而減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。假設(shè)L為過孔的電感,h為過孔的長度,d為中心鉆孔的直徑。過孔近似的寄生電感大小近似于:


過孔是引起RF 通道上阻抗不連續(xù)性的重要因素之一,如果信號頻率大于1GHz,就要考慮過孔的影響。減小過孔阻抗不連續(xù)性的常用方法有:采用無盤工藝、選擇出線方式、優(yōu)化反焊盤直徑等。優(yōu)化反焊盤直徑是一種最常用的減小阻抗不連續(xù)性的方法。由于過孔特性與孔徑、焊盤、反焊盤、層疊結(jié)構(gòu)、出線方式等結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān),建議每次設(shè)計時都要根據(jù)具體情況用HFSS和Optimetrics進行優(yōu)化仿真。當(dāng)采用參數(shù)化模型時,建模過程很簡單。在審查時,需要PCB設(shè)計人員提供相應(yīng)的仿真文檔。
過孔的直徑、焊盤直徑、深度、反焊盤,都會帶來變化,造成阻抗不連續(xù)性,反射和插入損耗的嚴(yán)重程度。
【5】通孔同軸連接器
與過孔結(jié)構(gòu)類似,通孔同軸連接器也存在阻抗不連續(xù)性,所以解決方法與過孔相同。減小通孔同軸連接器阻抗不連續(xù)性的常用方法同樣是:采用無盤工藝、合適的出線方式、優(yōu)化反焊盤直徑。

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