教你一招：如何處理PCB設(shè)計(jì)阻抗無(wú)法連續(xù)的地方？

中聯(lián)恒升線(xiàn)路板 · 發(fā)表于 2021-3-22 11:03:50

作為pcb設(shè)計(jì)工程師，大家都知道阻抗要連續(xù)。PCB設(shè)計(jì)也總有阻抗不能連續(xù)的時(shí)候，這時(shí)候該怎么辦呢？

關(guān)于阻抗
先來(lái)澄清幾個(gè)概念，我們經(jīng)常會(huì)看到阻抗、特性阻抗、瞬時(shí)阻抗。嚴(yán)格來(lái)講，他們是有區(qū)別的，但是萬(wàn)變不離其宗，它們?nèi)匀皇亲杩沟幕径x：
a）將傳輸線(xiàn)始端的輸入阻抗簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗；
b）將信號(hào)隨時(shí)遇到的及時(shí)阻抗稱(chēng)為瞬時(shí)阻抗；
c）如果傳輸線(xiàn)具有恒定不變的瞬時(shí)阻抗，就稱(chēng)之為傳輸線(xiàn)的特性阻抗。

特性阻抗描述了信號(hào)沿傳輸線(xiàn)傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗，這是影響傳輸線(xiàn)電路中信號(hào)完整性的一個(gè)主要因素。

如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，一般用特性阻抗來(lái)統(tǒng)稱(chēng)傳輸線(xiàn)阻抗。影響特性阻抗的因素有：介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線(xiàn)寬、銅箔厚度。

什么是阻抗連續(xù)
阻抗連續(xù)類(lèi)似：
水在一條均勻的水溝里穩(wěn)定的流動(dòng)，突然水溝來(lái)個(gè)轉(zhuǎn)折并且加寬了。
那么水在拐彎的地方就會(huì)晃動(dòng)，并且產(chǎn)生水波傳播。
這就是阻抗不匹配導(dǎo)致的結(jié)果。

阻抗不連續(xù)解決方法
01、漸變線(xiàn)
一些RF器件封裝較小，SMD焊盤(pán)寬度可能小至12mils，而RF信號(hào)線(xiàn)寬可能達(dá)50mils以上，要用漸變線(xiàn)，禁止線(xiàn)寬突變。漸變線(xiàn)如圖所示，過(guò)渡部分的線(xiàn)不宜太長(zhǎng)。

02、拐角
RF信號(hào)線(xiàn)如果走直角，拐角處的有效線(xiàn)寬會(huì)增大，阻抗不連續(xù)，引起信號(hào)反射。為了減小不連續(xù)性，要對(duì)拐角進(jìn)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(lái)說(shuō)，要保證：R>3W。如圖右所示。

03、大焊盤(pán)
當(dāng)50歐細(xì)微帶線(xiàn)上有大焊盤(pán)時(shí)，大焊盤(pán)相當(dāng)于分布電容，破壞了微帶線(xiàn)的特性阻抗連續(xù)性。可以同時(shí)采取兩種方法改善：首先將微帶線(xiàn)介質(zhì)變厚，其次將焊盤(pán)下方的地平面挖空，都能減小焊盤(pán)的分布電容。如下圖。

04、過(guò)孔
過(guò)孔是鍍?cè)陔娐钒屙攲优c底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號(hào)過(guò)孔連接不同層上的傳輸線(xiàn)。過(guò)孔殘樁是過(guò)孔上未使用的部分。過(guò)孔焊盤(pán)是圓環(huán)狀墊片，它們將過(guò)孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線(xiàn)。隔離盤(pán)是每個(gè)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(guò)孔的寄生參數(shù)
若經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的物理理論推導(dǎo)和近似分析，可以把過(guò)孔的等效電路模型為一個(gè)電感兩端各串聯(lián)一個(gè)接地電容，如下圖所示。

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

過(guò)孔的寄生電容可以導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間延長(zhǎng)，傳輸速度減慢，從而惡化信號(hào)質(zhì)量。同樣，過(guò)孔同時(shí)也存在寄生電感，在高速數(shù)字PCB中，寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容。

它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，從而減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。假設(shè)L為過(guò)孔的電感，h為過(guò)孔的長(zhǎng)度，d為中心鉆孔的直徑。過(guò)孔近似的寄生電感大小近似于：

過(guò)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(hào)頻率大于1GHz，就要考慮過(guò)孔的影響。

減小過(guò)孔阻抗不連續(xù)性的常用方法有：采用無(wú)盤(pán)工藝、選擇出線(xiàn)方式、優(yōu)化反焊盤(pán)直徑等。優(yōu)化反焊盤(pán)直徑是一種常用的減小阻抗不連續(xù)性的方法。由于過(guò)孔特性與孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)、層疊結(jié)構(gòu)、出線(xiàn)方式等結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，建議每次設(shè)計(jì)時(shí)都要根據(jù)具體情況用HFSS和Optimetrics進(jìn)行優(yōu)化仿真。

當(dāng)采用參數(shù)化模型時(shí)，建模過(guò)程很簡(jiǎn)單。在審查時(shí)，需要PCB設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的仿真文檔。

過(guò)孔的直徑、焊盤(pán)直徑、深度、反焊盤(pán)，都會(huì)帶來(lái)變化，造成阻抗不連續(xù)性，反射和插入損耗的嚴(yán)重程度。

05、通孔同軸連接器
與過(guò)孔結(jié)構(gòu)類(lèi)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(guò)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(wú)盤(pán)工藝、合適的出線(xiàn)方式、優(yōu)化反焊盤(pán)直徑。