PCB高速信號(hào)添加回流地過孔的原因是什么

通常PCB上的打過孔換層會(huì)引起鏡像平面的非連續(xù)性，這就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的最佳回流途徑被破壞。 我們都知道，信號(hào)打孔換層會(huì)改變信號(hào)的回流路徑，如果信號(hào)換層，回流路徑也跟著換層，但是在信號(hào)換層處過孔不能將信號(hào)回路連通起來，將引起信號(hào)回路面積增大，從而導(dǎo)致EMC問題。

下圖描述了信號(hào)打孔換層的幾種情況：

a、信號(hào)線換層，回流路徑也從GND換到VCC上去了； b、信號(hào)線換層，但參考面沒改變，回流路徑?jīng)]有換層； c、信號(hào)線換層，回流路徑也換層，但只是從一個(gè)GND平面換到另一個(gè)平面； a、c兩種情況如果不能在信號(hào)換層過孔處將信號(hào)回路連通起來，將引起信號(hào)回路面積增大，從而導(dǎo)致EMC問題。 針對(duì)以上換層引起的回路問題其解決方法如下： a、需要在過孔附近放置旁路電容將VCC與GND連接起來，以給回路提供一個(gè)低阻抗通路； b、建議高速信號(hào)線及時(shí)鐘線采用此種換層方式； c、需在換層過孔附近放置地過孔將GND與GND連接起來，以給回路就近提供一個(gè)通道。 所以，我們經(jīng)?？梢钥吹揭恍┙?jīng)驗(yàn)豐富的PCB設(shè)計(jì)師在處理高速信號(hào)打孔換層的時(shí)候，在信號(hào)孔附近添加回流地孔，如下圖所示。

包括一些高速連接器在設(shè)計(jì)的時(shí)候其高速信號(hào)管腳兩邊也是地管腳如下圖所示。

給傳輸線上的信號(hào)過孔配置相鄰的接地過孔，主要有兩個(gè)好處：一是給信號(hào)過孔承載的信號(hào)提供良好的信號(hào)回流通路；二是通過接地過孔消除信號(hào)之間的電磁場(chǎng)輻射。實(shí)驗(yàn)證明：信號(hào)回流通路對(duì)于信號(hào)的阻抗影響比較大。通過在傳輸線及其過孔附近添加接地過孔的方式，可以有效地降低了阻抗的不連續(xù)性，從而改善因阻抗不連續(xù)導(dǎo)致的反射現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)EMC問題。在傳輸線信號(hào)的過孔周圍加載接地過孔，原則上是數(shù)量越多越好、距離信號(hào)過孔越近越好。 回流地孔不僅能改善信號(hào)的EMC和回流通道，還能改善過孔的阻抗，降低鏈路阻抗的不連續(xù)性。高速差分過孔三維電磁仿真的過孔模型，其中就包含了回流地孔，如下圖所示。

對(duì)單端過孔過孔的其他參數(shù)及仿真參數(shù)設(shè)置如下表所示。

單端過孔仿真的三維結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

（1）接地過孔數(shù)量的多少對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響 接地過孔的數(shù)量是不是越多越好呢？在一定頻率的信號(hào)傳輸通路，幾個(gè)接地過孔就足夠了呢？為了弄清楚這些問題，需要對(duì)接地過孔的數(shù)量進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。

從上圖中S11曲線可以看出：5.2GHz是一個(gè)分界點(diǎn)，對(duì)于5.2GHz以上的信號(hào)過孔附近加載4個(gè)接地過孔，過孔的反射損耗會(huì)明顯降低?？梢?，加載接地過孔的方式能夠有效地降低高頻信號(hào)的阻抗不連續(xù)性。（2）接地過孔孔徑大小對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響 為了明確接地過孔孔徑大小對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響，進(jìn)行的仿真結(jié)果如下圖所示。

仿真接地過孔孔徑對(duì)信號(hào)的影響，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)接地過孔孔徑與信號(hào)過孔一樣均為10mil時(shí)，反射損耗減小非常明顯；隨著接地過孔孔徑的進(jìn)一步增大，信號(hào)的傳輸衰減呈遞減趨勢(shì)，但是趨勢(shì)逐漸變緩。建議接地過孔的相關(guān)參數(shù)與其相鄰的信號(hào)過孔一致。 這有兩個(gè)好處：一是保證了信號(hào)的有效傳輸；二是減少鉆孔的種類，從而提高制板生產(chǎn)的工作效率。（3）接地過孔距離遠(yuǎn)近對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響 接地過孔與信號(hào)過孔的間距從25mil到75mil之間變化時(shí)，對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響的仿真結(jié)果如下圖所示。

通過仿真可以看出：接地過孔與信號(hào)過孔的間距對(duì)過孔傳輸衰減的作用不明顯?？紤]到信號(hào)從接地過孔處回流，可根據(jù)實(shí)際情況在距離信號(hào)過孔盡量近的位置放置接地過孔，以便實(shí)現(xiàn)回流路徑的最小化。