曹小華，甘俊英，李德鋒，張建明

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高速電路PCB過孔優(yōu)化的仿真

曹小華1，甘俊英1，李德鋒2，張建明2

（1. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 江門奧威斯電子有限公司，廣東 江門 529000）

針對(duì)高速背板的過孔Stub效應(yīng)設(shè)計(jì)了幾種優(yōu)化方法：對(duì)單過孔，采用高速布線中換層盡量遠(yuǎn)或采用背鉆工藝以減少Stub效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響；對(duì)差分過孔，在差分過孔旁邊打一對(duì)地過孔和對(duì)差分殘段進(jìn)行背鉆處理以減少Stub效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響. 利用HFSS建立三維模型以驗(yàn)證方法的有效性，仿真結(jié)果表明，本文方法消除了過孔Stub效應(yīng)、改善了信道的信號(hào)質(zhì)量.

印制電路板；過孔；短柱效應(yīng)

現(xiàn)代高速數(shù)字電路板采用多層PCB板，要將高速信號(hào)從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚由系幕ミB線，需要用過孔來連接[1-3]. 信號(hào)頻率低于2GHz時(shí)，過孔對(duì)連接不同層PCB板的互連線來說，提供了一個(gè)良好的橋梁，其寄生參數(shù)的影響可以忽略；但是當(dāng)頻率高于2GHz時(shí)，過孔的寄生電容和電感的影響就不能忽略，尤其是對(duì)寬頻帶的高速信號(hào)，其寄生效應(yīng)更為復(fù)雜，此時(shí)過孔相當(dāng)于信號(hào)在傳輸路徑上不連續(xù)，將導(dǎo)致信號(hào)的反射、衰減等問題[4-6]；因此，在高速PCB電路板的設(shè)計(jì)中過孔已經(jīng)成為影響信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要因素. 本文對(duì)單過孔、差分過孔進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了減少過孔Stub效應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，并用HFSS建立過孔的三維模型驗(yàn)證方法的有效性.

1 單過孔優(yōu)化的仿真分析

研究一塊18層PCB測(cè)試板4種不同類型的過孔Stub效應(yīng)帶來的信號(hào)完整性問題. 如圖1所示的測(cè)試板，L1、L3、L5、L7、L12、L14、L16和L18層均為信號(hào)層，其余層均為地平面. 這樣疊層的好處就是使每個(gè)信號(hào)層都有各自的參考平面，以利于信號(hào)高頻分量的回流；另外，也可以屏蔽不同走線層間信號(hào)的相互干擾和來自外部其他信號(hào)的干擾. 測(cè)試板的每層高度通過切片分析得到.

過孔的相關(guān)參數(shù)為：鉆孔直徑0.325 mm，孔壁銅厚18 μm，焊盤直徑0.6 mm，反焊盤直徑1 mm，信號(hào)引線阻抗50 Ω. 為研究不同過孔走線的特性，需要在頂層、第3層、底層走信號(hào)線. 過孔包括4種極端情況：1）Stub最長(zhǎng)；2）Stub最短，去除Regular Pad；3）Stub最短，保留Regular Pad；4）去掉Stub. 圖2a）是連接第1層和第3層信號(hào)的過孔模型. 由于信號(hào)在第3層就已經(jīng)被信號(hào)線引出，所以過孔下面有很長(zhǎng)一截Stub；圖2b）、2c）的過孔連接著第1層和第18層信號(hào)層，其Stub最短；圖2d）是背鉆后的過孔模型，沒有Stub.

圖2 4種不同情況的過孔模型

圖3 4種不同情況的過孔仿真S參數(shù)曲線

2 差分過孔優(yōu)化的仿真分析

PCB板總線速度目前越來越高，布線越來越密，很多因素影響信號(hào)的完整性，如過孔、傳輸線阻抗不連續(xù)、串?dāng)_等[4-5]. 差分信號(hào)的完整性也會(huì)受到過孔的影響，在差分過孔旁邊打上一對(duì)地孔，或者對(duì)差分過孔的殘余部分進(jìn)行背鉆處理，將改善高速差分信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量.

差分過孔采用的模型疊層結(jié)構(gòu)和前面單過孔的疊層情況相同，板上過孔的相關(guān)參數(shù)：信號(hào)孔的孔徑0.65 mm，孔壁銅厚18 μm，Pad1.2 mm，Anti_pad1.8 mm；接地孔的孔徑1.1 mm，孔壁銅厚18 μm，Pad1.8 mm，Anti_pad2.6 mm；信號(hào)孔間的距離（中心）2 mm，信號(hào)孔與接地孔間距（中心）2.5 mm，差分線的線寬0.2 mm，間距（沿到沿）0.4 mm.

2.1 未加地孔的差分過孔

S參數(shù)是頻域上的函數(shù)，而數(shù)字信號(hào)是時(shí)域上的方波[6]. 最直觀的研究方法是將頻域上的模型轉(zhuǎn)換到時(shí)域上來分析. 常用的方法是在HFSS中提取S參數(shù)模型文件，調(diào)入到Ansoft Designer中對(duì)眼圖仿真. 圖5是仿真得到的眼圖，使用的激勵(lì)信號(hào)是1 024 bit的偽隨機(jī)比特流（PRBS），掃描10個(gè)序列. 從圖5可知，在引入較長(zhǎng)Stub及無接地孔時(shí)抖動(dòng)比較大，眼皮較厚，差分過孔性能不理想. 如何消除過孔的Stub效應(yīng)，是Gbps級(jí)高速電路設(shè)計(jì)所面臨的一個(gè)問題.

圖4 差分過孔3D模型和S參數(shù)曲線

圖5 未加地過孔的差分過孔時(shí)域仿真眼圖

2.2 加地孔的差分過孔

改善信道質(zhì)量的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在差分過孔旁邊打上地孔，從而給信號(hào)提供最近的回流路徑，同時(shí)也便于阻抗控制，減少反射電流. 圖6a）是在HFSS中對(duì)圖4a）中的模型加上一對(duì)地孔后的模型. 地孔與差分過孔的距離是2.5 mm；地孔僅用于連接地層，本身不出線.

使用測(cè)試電路，并加載激勵(lì)信號(hào)為1 024 bit的PRBS，掃描10個(gè)序列，得到加上地孔后的差分過孔眼圖，如圖7所示. 靠近的地孔作為回流路徑后，眼圖得到明顯改善：高度增大了很多，抖動(dòng)也有所減小. 這是因?yàn)椴罘诌^孔有地孔作為參考，阻抗得到控制，降低了反射信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)有地孔作為回流路徑，電磁輻射得到了控制.

圖6 加地孔的差分過孔模型和S參數(shù)曲線

圖7 加地過孔的差分過孔時(shí)域仿真眼圖

2.3 加地孔并背鉆的差分過孔

設(shè)計(jì)阻抗可控差分過孔還有一種有效的方法，即背鉆技術(shù). 圖8a）是在HFSS中對(duì)圖6a）過孔進(jìn)行背鉆后所建的模型，即把孔第4層到第18層的殘余部分去掉，信號(hào)只流經(jīng)有效通路：從第1層到第3層，以此避免長(zhǎng)的Stub對(duì)信道產(chǎn)生的干擾. 背鉆后的S參數(shù)曲線如圖8b）所示. 與圖4b）和6b）對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，背鉆后，差分過孔的傳輸參數(shù)與反射參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，信道的頻率響應(yīng)曲線也比較平滑. 使用1 024 bit的PRBS，掃描10個(gè)序列，得到差分過孔背鉆以后的差分過孔眼圖，如圖9所示，其眼圖抖動(dòng)小，差分過孔的性能得到進(jìn)一步優(yōu)化.

圖8 加地孔并背鉆的差分過孔模型和S參數(shù)曲線

圖9 加地過孔并背鉆的差分過孔時(shí)域仿真眼圖

3 結(jié)語

本文對(duì)因背板廣泛應(yīng)用而帶來的過孔Stub效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了減少過孔殘段Stub效應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，并利用HFSS建立了過孔的三維模型，仿真結(jié)果表明了本文設(shè)計(jì)方法的正確性.

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Via-hole Optimal Simulation of High Speed Circuit PCBs

CAOXiao-hua1, GANJun-ying1, LIDe-feng2, ZHANGJian-ming2

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. Jiangmen AudioVisio Electronics CO. LTD., Jiangmen 529000, China)

Several optimization methods are studied for high speed backboard Stub effect. For single via-holes, high speed route or back drill technology is utilized to reduce the via-hole stub effect on signals. For difference via-holes, a pair of terra via-holes beside difference via-holes and back drill process for difference stub is used to reduce the via-hole stub effect on signals. In this paper, a three-dimensional model is built by way of HFSS to validate the effectiveness. Experimental results demonstrate that via-hole stub effect is eliminated and the quality of signal is improved.

PCB; Via-holes; Stub effect

1006-7302（2012）01-0053-05

TP303

A

2011-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61072127，No. 61070167）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10152902001000002，07010869）；廣東省高等學(xué)校高層次人才項(xiàng)目（粵教師函〔2010〕79號(hào)）

曹小華（1984—），男，江西贛州人，在讀碩士生，研究方向?yàn)樾盘?hào)完整性處理；甘俊英，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閳D像信息處理、人機(jī)互動(dòng)、圖像識(shí)別等.