阻抗受控的通孔之設(shè)計(jì)

1、阻抗受控的通孔之設(shè)計(jì)阻抗受控的通孔之設(shè)計(jì)技術(shù)分類：EDA工具與服務(wù)ThomasNeu，德州儀器公司發(fā)表時(shí)間：20040130要想保持印制電路板信號(hào)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(dú)特方法。隨著數(shù)據(jù)通信速度提高到3Gbps以上，信號(hào)完整性對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行至關(guān)重要。電路板設(shè)計(jì)人員試圖消除高速信號(hào)路徑上的每一個(gè)阻抗失配，因?yàn)檫@些阻抗失配會(huì)產(chǎn)生信號(hào)抖動(dòng)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(dòng)規(guī)范的余量降到最低程度。由于印刷電路板上的信號(hào)密度的提高，就需要更多的信號(hào)傳輸層，而且通過層間互連（通孔）實(shí)現(xiàn)傳輸也是不可避免的。過去，通孔代表一種產(chǎn)生信號(hào)失真的重要來源，因?yàn)槠渥杩雇ǔ４蠹s為25~35Ω。這么大的阻抗不連續(xù)性會(huì)使數(shù)據(jù)眼圖的張開程度降低3dB，并會(huì)依據(jù)數(shù)據(jù)速率大小而產(chǎn)生大量的抖動(dòng)。結(jié)果，電路板設(shè)計(jì)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(huì)增加復(fù)雜度并大大提高電路板成本?？梢岳靡环N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(hào)通孔四周。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的通孔在TDR（時(shí)域反射計(jì)）曲線上顯示阻抗不連續(xù)性低于4%（502Ω）和信號(hào)質(zhì)量有所改善。這種新方法產(chǎn)生一個(gè)阻抗可調(diào)的垂直通道。開發(fā)人員利用信號(hào)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(gè)均

4、勻分布的阻抗。四個(gè)在中心信號(hào)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?yàn)檫@四個(gè)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(gè)通孔與信號(hào)通孔之間形成電容。電容量的計(jì)算取決于通孔直徑、介電常數(shù)以及信號(hào)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(hào)返回電流提供路徑，并在信號(hào)通孔和接

5、地通孔之間形成一個(gè)電感回路。圖1印制電路板層間互連設(shè)計(jì)的新技術(shù)提供可預(yù)測(cè)的路徑阻抗和改進(jìn)的信號(hào)完整性。你可以利用簡單的公式（參考文獻(xiàn)1）計(jì)算出由一個(gè)接地通孔與信號(hào)通孔形成的電容量和電感量。計(jì)算時(shí)，你可以假定這兩個(gè)通孔實(shí)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(hào)通孔和接地通孔之間的中心距。一對(duì)通孔的電感L的計(jì)算公式為：一對(duì)通孔的電容C計(jì)算公式為：因?yàn)橹饕?個(gè)通孔構(gòu)成的垂直通道是均勻的，因此一對(duì)通孔的的阻抗Z的計(jì)算公式為：公式1計(jì)

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(gè)額外的接地通孔，所以信號(hào)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(cè)量的一個(gè)缺點(diǎn)是，測(cè)量結(jié)果是與設(shè)備上升時(shí)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(yàn)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(hào)是如何通過傳輸線通道的而其它頻率的信號(hào)是如何被反射或衰減的。

7、圖3示出了TDR測(cè)量中兩個(gè)通道的S21曲線。兩個(gè)通道是相同的，唯一的差別是一個(gè)通道具有改進(jìn)型通孔結(jié)構(gòu)（綠色曲線），而另一個(gè)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(gè)頻率段內(nèi)仍有多重反射。這些反射導(dǎo)致信號(hào)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(hào)的質(zhì)量。圖4試驗(yàn)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(cè)試電路板，用以