PCB設(shè)計(jì)中通孔的阻抗控制及其對(duì)信號(hào)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(guò)孔不會(huì)影響信號(hào)傳輸。但是，隨著頻率的升高（高于1 GHz）和信號(hào)的上升沿變得陡峭（最多1ns），過(guò)孔不能簡(jiǎn)單地視為電連接的函數(shù)，而是必須仔細(xì)考慮過(guò)孔對(duì)信號(hào)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(diǎn)，導(dǎo)致信號(hào)反射。然而，通孔帶來(lái)的問(wèn)題更多地集中在寄生電容和寄生電感上。過(guò)孔寄生電容對(duì)電路的影響主要是延長(zhǎng)信號(hào)的上升時(shí)間并降低電路的運(yùn)行速度。但是，寄生電感會(huì)削弱旁路電路的作用并降低整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波功能。

通孔對(duì)阻抗連續(xù)性的影響

根據(jù)通孔存在和通孔不存在時(shí)的TDR（時(shí)域反射儀）曲線，在通孔不存在的情況下確實(shí)發(fā)生明顯的信號(hào)延遲。在不存在通孔的情況下，向第二測(cè)試孔傳輸信號(hào)的時(shí)間跨度為458ps，而在存在通孔的情況下，向第二測(cè)試孔傳輸信號(hào)的時(shí)間跨度為480ps。因此，通過(guò)引線將信號(hào)延遲22ps。

信號(hào)延遲主要由通孔的寄生電容引起，可通過(guò)以下公式得出：

在該式中，d2是指焊盤(pán)直徑（mm）在地面上，d1是指焊盤(pán)通孔的直徑（mm），T為PCB板厚度（mm），ε_r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(zhǎng)度為0.96mm，通孔直徑為0.3mm，焊盤(pán)的直徑為0.5mm，介電常數(shù)為4.2，涉及上述公式，計(jì)算出的寄生電容約為0.562pF。對(duì)于電阻為50Ω的信號(hào)傳輸線，此過(guò)孔將導(dǎo)致信號(hào)的上升時(shí)間發(fā)生變化，其變化量由以下公式計(jì)算：

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

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

與寄生電容相比，過(guò)孔具有的寄生電感會(huì)導(dǎo)致更多的電路損壞。通孔的寄生電感可以通過(guò)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(zhǎng)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(guò)以下公式計(jì)算得出：

測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間為500ps，等效阻抗為4.28Ω。但是通孔導(dǎo)致的阻抗變化達(dá)到12Ω以上，這表明測(cè)量值與理論計(jì)算值存在極大的差異。

通孔直徑對(duì)阻抗連續(xù)性的影響

根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)，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(jì)過(guò)程中，通常將阻抗變化控制在±10％的范圍內(nèi)，否則可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。

焊盤(pán)尺寸對(duì)阻抗連續(xù)性的影響

寄生電容對(duì)高頻信號(hào)頻帶內(nèi)的諧振點(diǎn)具有極大的影響，帶寬會(huì)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(pán)尺寸，其對(duì)信號(hào)完整性的影響相同。因此，焊盤(pán)直徑越大，阻抗不連續(xù)性就會(huì)越強(qiáng)。

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

通過(guò)信號(hào)的返回路徑

返回信號(hào)流的基本原理是，高速返回信號(hào)電流沿最低電感路徑流動(dòng)。由于PCB板包含一個(gè)以上的接地層，因此返回信號(hào)電流直接沿著信號(hào)線下方最靠近信號(hào)線的接地層的一條路徑流動(dòng)。當(dāng)所有信號(hào)電流從一個(gè)點(diǎn)流到另一點(diǎn)時(shí)都沿著同一平面流動(dòng)時(shí)，如果信號(hào)通過(guò)通孔從一個(gè)點(diǎn)流到另一個(gè)點(diǎn)，那么當(dāng)接地時(shí)，返回信號(hào)電流將不會(huì)跳躍。

在高速PCB設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)信號(hào)電流提供返回路徑，以消除阻抗失配。圍繞過(guò)孔，接地過(guò)孔可以設(shè)計(jì)成為信號(hào)電流提供返回路徑，并在信號(hào)過(guò)孔和接地過(guò)孔之間產(chǎn)生電感環(huán)路。即使由于過(guò)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(hào)質(zhì)量。

通孔的信號(hào)完整性

S參數(shù)可用于評(píng)估通孔對(duì)信號(hào)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(shí)驗(yàn)，表明接地通孔能夠減小傳輸損耗，并且在通孔周?chē)纬筛嗟慕拥赝祝瑐鬏敁p耗將更低。通過(guò)在過(guò)孔周?chē)砑咏拥乜卓梢栽谝欢ǔ潭壬蠝p少過(guò)孔引起的損耗。

根據(jù)上述內(nèi)容可以得出兩個(gè)結(jié)論：
1、通孔引起的阻抗不連續(xù)性受通孔直徑和焊盤(pán)尺寸的影響。通孔直徑和焊盤(pán)直徑越大，引起的阻抗不連續(xù)性將越嚴(yán)重。通孔引起的阻抗不連續(xù)性通常會(huì)隨著焊盤(pán)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(hào)完整性。

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