通过基础知识和差分过孔设计

在高速印刷电路板（PCB）中，通孔因降低信号完整性而受到批评。但是，通孔的使用是不可避免的。在标准PCB上，组件放置在顶层，而差分对走线位于内层。 内层具有较低的电磁辐射和线对之间的串扰。必须使用过孔将PCB平面上的组件连接到内层。幸运的是，可以设计一个透明的通孔以最大程度地减少对性能的影响。
1.通孔结构的基本知识
让我们开始研究通过简单通孔将顶部传输线连接到内层的组件。图。图1是示出通孔结构的3D视图。共有四个基本组件：信号过孔，过孔，过孔焊盘和隔离焊盘。
通孔是金属圆柱，从电路板的顶层和底层之间的通孔中电镀出来。信号过孔将传输线连接在不同的层上。通孔桩是通孔的未使用部分。通孔焊盘是类似于圆环-的焊盘，它们将通孔连接到顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地平面中的圆形间隙，以防止电源和接地平面短路。
单个过孔的3D视图
图1：单个过孔的3D视图
2.通孔组件的电气特性
如表1所示，让我们仔细研究每个通孔组件的电性能。
通孔组件的电气特性
表1：图1所示的过孔组件的电气特性
一个简单的过孔是一系列π型网络，由形成在两个相邻层中的电容器-电感器-电容器（C-L-C）元素组成。表2显示了通孔尺寸的影响。
通孔尺寸的直观影响
表2：过孔尺寸的直观影响
通过平衡电感器和寄生电容器的尺寸，可以设计出具有与传输线相同的特性阻抗的通孔，这样就不会对电路板的操作产生特殊的影响。没有简单的公式可以在通孔尺寸与C和L分量之间进行转换。 3D电磁（EM）场求解器可以根据PCB布局中使用的尺寸来预测结构阻抗。通过反复调整结构尺寸并运行3D模拟，可以优化通孔尺寸，以实现所需的阻抗和带宽要求。

3.设计透明的差分过孔
实施差分对时，线A和线B必须高度对称。这些对在同一层上路由。如果需要通孔，则必须在两条线附近打一个孔。因为差分对的两个通孔非常靠近，所以两个通孔共享的椭圆形隔离盘可以减少寄生的电容，而不是使用两个单独的隔离盘。接地过孔也放置在每个过孔的旁边，以便它们可以为A和B过孔提供接地返回路径。
图2显示了接地信号信号接地（GSSG）差分过孔结构的示例。两个相邻通孔之间的距离称为通孔间距。通孔间距越小，相互耦合电容越大。
GSSG 差分过孔，带背面钻孔
图2：带有背面钻孔的GSSG 差分过孔
不要忘记，当传输速率超过10Gbps时，via stub会严重影响高速信号的完整性。幸运的是，有一种背面钻孔的PCB制造工艺，可以在未使用的气缸上钻孔。根据不同的制造工艺公差，反向钻孔可去除未使用的通孔金属，并将通孔的残留根最小化至小于10百万。
3D EM仿真器用于根据所需的阻抗和带宽来设计差分过孔。这是一个反复的过程。此过程反复调整通孔大小并运行EM仿真，直到获得所需的阻抗和带宽。
4.如何验证性能
图2所示的差分过孔设计已经过构建和测试。试件包括在顶层的一对差分线，然后是内部差分线的差分过孔，然后将第二对差分过孔连接到球形引脚栅格阵列封装（BGA）的顶部顶层的接地垫。信号路径的总长度约为1330百万。我使用差分时域反射仪（TDR）测量了差分阻抗，使用网络分析仪测量了带宽，并使用高速示波器测量了数据眼图以了解其对信号的影响。图3、4和5分别显示了阻抗，带宽和眼图。左图显示了使用背孔钻时的测试结果，右图显示了不进行背钻时的测试结果。在图5的带宽波特图中，我们可以清楚地看到反向钻探对于在大于10Gbps的数据速率下实现高性能至关重要。
TDR电阻抗波特图
图3：TDR电阻抗波特图（左：带反钻的ZDIFF约为85Ω；右：无反钻的ZDIFF约为58Ω）
频率响应
图4：频率响应（左：12.5GHz时的插入损耗约为3dB；右：12.5GHz时的插入损耗大于8dB）
25Gbps时的数据眼图