淺談PCB高速信號打孔換層的幾種情況

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　　通常PCB上的打過孔換層會引起鏡像平面的非連續性，這就會導致信號的最佳回流途徑被破壞。

　　我們都知道，信號打孔換層會改變信號的回流路徑，如果信號換層，回流路徑也跟著換層，但是在信號換層處過孔不能將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。

　　下圖描述了信號打孔換層的幾種情況：

　　a、信號線換層，回流路徑也從GND換到VCC上去了；b、信號線換層，但參考面沒改變，回流路徑沒有換層；c、信號線換層，回流路徑也換層，但只是從一個GND平面換到另一個平面；

　　a、c兩種情況如果不能在信號換層過孔處將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。

　　針對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，以給回路提供一個低阻抗通路；b、建議高速信號線及時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通道。

　　所以，我們經?？梢钥吹揭恍┙涷炟S富的PCB設計師在處理高速信號打孔換層的時候，在信號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計的時候其高速信號管腳兩邊也是地管腳如下圖所示。

　　給傳輸線上的信號過孔配置相鄰的接地過孔，主要有兩個好處：一是給信號過孔承載的信號提供良好的信號回流通路；二是通過接地過孔消除信號之間的電磁場輻射。

　　實驗證明：信號回流通路對于信號的阻抗影響比較大。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性，從而改善因阻抗不連續導致的反射現象，進而引發EMC問題。在傳輸線信號的過孔周圍加載接地過孔，原則上是數量越多越好、距離信號過孔越近越好。

　　回流地孔不僅能改善信號的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。

　　對單端過孔過孔的其他參數及仿真參數設置如下表所示。

　　單端過孔仿真的三維結構圖如下圖所示：

　?。?）接地過孔數量的多少對信號傳輸質量影響

　　接地過孔的數量是不是越多越好呢？在一定頻率的信號傳輸通路，幾個接地過孔就足夠了呢？為了弄清楚這些問題，需要對接地過孔的數量進行仿真，仿真結果如下圖所示。

　　從上圖中S11曲線可以看出：5.2GHz是一個分界點，對于5.2GHz以上的信號過孔附近加載4個接地過孔，過孔的反射損耗會明顯降低?？梢?，加載接地過孔的方式能夠有效地降低高頻信號的阻抗不連續性。

　?。?）接地過孔孔徑大小對信號傳輸質量影響

　　為了明確接地過孔孔徑大小對信號傳輸質量的影響，進行的仿真結果如下圖所示。

　　仿真接地過孔孔徑對信號的影響，可以發現：當接地過孔孔徑與信號過孔一樣均為10mil時，反射損耗減小非常明顯；隨著接地過孔孔徑的進一步增大，信號的傳輸衰減呈遞減趨勢，但是趨勢逐漸變緩。建議接地過孔的相關參數與其相鄰的信號過孔一致。

　　這有兩個好處：一是保證了信號的有效傳輸；二是減少鉆孔的種類，從而提高制板生產的工作效率。

　?。?）接地過孔距離遠近對信號傳輸質量的影響

　　接地過孔與信號過孔的間距從25mil到75mil之間變化時，對信號傳輸質量影響的仿真結果如下圖所示。

　　通過仿真可以看出：接地過孔與信號過孔的間距對過孔傳輸衰減的作用不明顯?？紤]到信號從接地過孔處回流，可根據實際情況在距離信號過孔盡量近的位置放置接地過孔，以便實現回流路徑的最小化。

　　編輯：黃飛