PCB科技 - 如何解决PCB設計中經常出現的阻抗不連續問題

每個人都知道阻抗應該是連續的. 然而, 如前所述, “人生中總有好幾次你踩到大便”, 總有一些時候 PCB設計 不能連續. 如何做?

如果傳輸線是各向同性的，則只要傳輸訊號，就會始終存在電流I。 如果訊號的輸出電壓為V，則在訊號傳輸過程中，傳輸線將等效為大小為V/I的電阻。該等效電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。

在訊號傳輸過程中，如果特性阻抗沿傳輸路徑變化，訊號將在阻抗不連續的節點處反射。

影響特性阻抗的因素包括介電常數、介電厚度、線寬和銅箔厚度。

[1]漸變線

有些射頻器件封裝小，貼片焊盤寬度可能小到12mils，射頻訊號線寬可能大於50mils，應使用梯度線，禁止線寬突變。 漸變線如圖所示。過渡線不應太長。

[2]角落

射頻訊號線如果成直角，拐角處的有效線寬會新增，阻抗不連續，造成訊號反射。

[3]大墊子

當50歐姆微帶線上有一個大焊盤時，大焊盤充當分佈電容，破壞微帶線特性阻抗的連續性。 通過加厚微帶線介質和挖空焊盤下方的接地層，可以减小焊盤的分佈電容。 下圖。

[4]通孔

通孔是一個金屬圓柱體，鍍在電路板頂層和底層之間的通孔外部。 訊號孔連接不同層上的傳輸線。 孔殘留物是孔的未使用部分。 通孔墊片是將通孔連接到頂部或內部傳輸線的圓形環形墊片。 隔離盤是每個電源或接地區域內的環形空間，以防止對電源和接地區域短路。

孔的寄生參數

經過嚴格的物理理論推導和近似分析，孔的等效電路模型可以視為兩端串聯接地電容的電感器，如圖1所示。

孔的等效電路模型

從等效電路模型可以看出，對地寄生電容存在於通孔本身。 假設通孔反向焊盤的直徑為D2，通孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，基板的介電常數為ε，通孔的寄生電容近似如下：

通過孔的寄生電容會導致訊號上升時間延長和傳送速率减慢，從而惡化訊號質量。 類似地，通孔也有寄生電感，這通常比高速數位PCB中的寄生電容更有害。

其寄生串聯電感將削弱旁路電容的貢獻，從而降低整個電源系統的濾波效率。 假設L是孔的電感，h是孔的長度，D是中心孔的直徑。 通孔近似的寄生電感大小約為：

空穴是引起射頻通道阻抗不連續的重要因素之一。 如果訊號頻率大於1GHz，則應考慮孔的影響。

减少通孔電阻不連續性的常用方法包括：使用無盤工藝、選擇出口模式、優化背墊直徑等。優化背墊直徑是减少阻抗不連續性的常用方法。 建議在每次設計期間使用HFSS和Optimetrics進行優化類比，因為孔特性與結構尺寸有關，例如孔徑、襯墊、背板、堆疊結構和出口模式。

使用參數化模型時，建模過程很簡單。 審查時，PCB設計師需要提供相應的類比檔案。

孔的直徑、焊盤直徑、深度和背板都可能不同，導致阻抗不連續、反射和插入損耗嚴重。

[5]通孔同軸連接器

與通孔配寘類似，通孔同軸連接器也具有阻抗不連續性，囙此解決方案與通孔相同。 减少通孔同軸連接器阻抗不連續性的常用方法還有：使用無盤工藝、適當的出口模式和優化背板直徑。