王永軍，王俊鳴

(1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西西安710071;2.中國(guó)人民解放軍空軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇無(wú)錫214063)

當(dāng)今電路、芯片向著小體積、大功耗、高速度、高性能發(fā)展，使得布線(xiàn)的密度更大、空間小，造成了芯片之間、線(xiàn)之間的串?dāng)_、PCB板的EMC、EMI越來(lái)越大，導(dǎo)致PCB板的性能也更差。由于體積的縮小、頻率的提高只能增加PCB板層數(shù)量來(lái)達(dá)到目標(biāo)。造成不同的板層上存在多個(gè)電源地平面、信號(hào)線(xiàn)，板層與板層之間的各個(gè)線(xiàn)與線(xiàn)、平面與平面之間的連接只能靠過(guò)孔來(lái)連接［1］。高速電路中，過(guò)孔是影響導(dǎo)線(xiàn)上信號(hào)質(zhì)量的重要因素。但多數(shù)PCB板在設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)孔對(duì)信號(hào)的影響被忽略，由此提出一些過(guò)孔對(duì)信號(hào)的影響以及改善方式［2］。

1 過(guò)孔簡(jiǎn)介

1.1 過(guò)孔的近似電容電感

由于過(guò)孔的介入會(huì)使得信號(hào)的完整性質(zhì)量下降，如圖1所示，是10層PCB板的疊層與過(guò)孔刨面結(jié)構(gòu)［3］。過(guò)孔都有對(duì)地的近似電容

圖1 10層PCB板的疊層與過(guò)孔刨面結(jié)構(gòu)

其中，D2為平面上的間隙孔的直徑;D1為環(huán)繞過(guò)孔焊盤(pán)的直徑;T為PCB板的厚度;εr為PCB板的相對(duì)介電常數(shù);C為寄生電容;對(duì)于電容存在這樣的公式成立，使得流經(jīng)其上的信號(hào)的上升沿變差即是濾除了信號(hào)的高次諧波，信號(hào)的帶寬變窄、完整性變差。

1.2 信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)孔的流通方式

如圖2所示，信號(hào)利用過(guò)孔從第1層穿過(guò)第2、3層轉(zhuǎn)換到第4層，其回路經(jīng)過(guò)平面電容耦合到其臨近的電源地平面上，為什么會(huì)發(fā)生以上的情況?這是因?yàn)樾盘?hào)總是選擇低阻抗的路徑作為其返回回路。信號(hào)在回路上會(huì)受到由兩平面所構(gòu)成的傳輸線(xiàn)的瞬態(tài)阻抗，自然在流經(jīng)這個(gè)阻抗時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，這一壓降即為地彈。壓降越大，地彈的噪聲也就越大，如果要解決地彈問(wèn)題，需使兩平面所構(gòu)成的傳輸線(xiàn)的瞬態(tài)阻抗減小，如圖2所示，要減小兩平面之間的距離、介質(zhì)要與屏幕靠的更近或利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)。

圖2 信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)孔的流程圖

過(guò)孔在多層PCB中并非孤立的個(gè)體，是與其周?chē)沫h(huán)境相互關(guān)聯(lián)的;他們之間的電磁相互作用方式是通過(guò)各個(gè)單元之間的耦合電容進(jìn)行耦合。如圖3所示，所以過(guò)孔的存在使得信號(hào)之間的串?dāng)_增大，且又是穿過(guò)整個(gè)PCB板使得各個(gè)參數(shù)不容易控制［4］。

圖3 過(guò)孔周?chē)鸟詈想娙?/p>

2 過(guò)孔建模與對(duì)流經(jīng)其上信號(hào)的影響

根據(jù)過(guò)孔的近似值以及其傳輸特性，在HyperLynx的LineSim中建立的模型如圖4所示，電容C和電感L是并聯(lián)的組合形式;由于過(guò)孔的電阻值一般較小，此處忽略［5］。

圖4 過(guò)孔的建模

結(jié)合電路的實(shí)際情況和過(guò)孔的近似電容、電感公式，選擇C=0.6 pF、L=2.0 nH的一組參數(shù)值，進(jìn)行測(cè)試過(guò)孔對(duì)信號(hào)的影響。當(dāng)此種過(guò)孔被使用到不同頻率的信號(hào)傳輸線(xiàn)時(shí)，其對(duì)信號(hào)的完整性表現(xiàn)出了不同的情況，利用LineSim進(jìn)行仿真得到的波形如圖5所示。其中U(A2)、U(A4)、U(C2)為信號(hào)的輸入端;U(B2)、U(B4)、U(D2)為信號(hào)的接收端;輸入信號(hào)的上升時(shí)間分別為U(A2)=0.3 ns，U(A4)=1 ns，U(C2)=5 ns;信號(hào)上升時(shí)間為其上升邊沿時(shí)間的10%～90%［6］。

圖5 過(guò)孔對(duì)不同頻率信號(hào)的影響波形

如圖5所示信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)孔之后，信號(hào)的完整性變差、發(fā)生了信號(hào)的反射、過(guò)沖、下沖、振鈴、抖動(dòng)和幅度噪聲等現(xiàn)象;由于幅度噪聲使得原本在一定的門(mén)限閾值的高“1”、低“0”電平發(fā)生了變化，高低電平出現(xiàn)混亂使晶體管開(kāi)關(guān)不能按正常的模式開(kāi)啟和關(guān)閉;同樣抖動(dòng)使得信號(hào)的采樣點(diǎn)發(fā)生了錯(cuò)移位現(xiàn)象，最終引起比特流誤碼，嚴(yán)重影響整個(gè)PCB系統(tǒng)的性能，因此，需要改進(jìn)。

3 工程實(shí)例

以下為連接到50Ω線(xiàn)上的過(guò)孔的分析和改進(jìn)方法，利用HyerLynx對(duì)連接在50Ω線(xiàn)上的過(guò)孔進(jìn)行建模如圖6所示。

圖6 50Ω的傳輸線(xiàn)上的過(guò)孔建模

其中輸入端U(A0)和接收端U(D0)的上升時(shí)間都為0.3 ns，電容C=0.6 pF、電感L=2.0 nH，過(guò)孔兩端是50Ω的傳輸線(xiàn)。在LineSim中仿真可得到的結(jié)果如圖7所示，出現(xiàn)了信號(hào)不完整性的各種情況，這是由于傳輸線(xiàn)上的兩端特性阻抗不匹配而造成的信號(hào)來(lái)回反射。負(fù)載反射系數(shù)公式

其中，ZL為負(fù)載的阻抗;Z0為傳輸線(xiàn)上的阻抗;這里過(guò)孔可以看作為一個(gè)負(fù)載。

圖7 過(guò)孔對(duì)50Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)上的信號(hào)影響仿真波形

使用HyperLynx中的終端匹配設(shè)計(jì)工具，即根據(jù)Zr=Z0－ZL，可得在此上升時(shí)間條件下終端匹配阻抗為45.5Ω。建立如圖8所示的過(guò)孔前端添加匹配電阻電路和如圖10所示的過(guò)孔兩端阻抗匹配電路，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果分別為圖9和圖11所示。

圖8 過(guò)孔前端添加匹配電阻電路

圖9 過(guò)孔前端添加匹配電阻電路的仿真結(jié)果

圖10 過(guò)孔兩端都進(jìn)行阻抗匹配電路

圖11 過(guò)孔兩端都匹配后的仿真波形

由圖9～圖11可得，對(duì)過(guò)孔電路進(jìn)行阻抗匹配時(shí)，要對(duì)其前后兩端都進(jìn)行匹配分析和改進(jìn)。同樣對(duì)像過(guò)孔這樣連接方式的電路，在要求線(xiàn)上信號(hào)完整性高的情況下，使用這樣的匹配方式進(jìn)行改良、優(yōu)化電路。比如在50Ω的傳輸線(xiàn)上添加了一個(gè)40Ω的電阻。

4 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)孔在不同的信號(hào)頻率下表現(xiàn)出不同的性能，在設(shè)計(jì)和使用過(guò)孔時(shí)要結(jié)合具體情況合理規(guī)劃過(guò)孔，對(duì)其處理決定了PCB板性能的優(yōu)劣。特別是運(yùn)行速度大于GHz的高速PCB中，對(duì)過(guò)孔的處理不當(dāng)而造成的幅度噪聲和抖動(dòng)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，并出現(xiàn)無(wú)法工作的情況。從而造成整個(gè)項(xiàng)目工作時(shí)間和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。合理地利用過(guò)孔可以改善系統(tǒng)信號(hào)和電源的完整性，如電源濾波，隔離信號(hào)線(xiàn)之間的串?dāng)_、電磁帶隙(EMG)等。在PCB中，過(guò)孔無(wú)處不在，雖然其微小但卻是影響、制約高速PCB的關(guān)鍵因素。

［1］ERIC B.Signal integrity:simplified［M］.England NJ:Prentice Hall PTR，2004.

［2］JOHNSON H，GRAHAM M.High－speed signal propagation:advanced black magic［M］.England NJ:Prentice Hall，2003.

［3］ERIC B.Signal and power integrity－simplified［M］.England NJ:Prentice Hall，2010.

［4］HOWARD J，MARTIN G.High－speed digital design:a handbook of black magic［M］.England NJ:Prentice Hall，1993.

［5］MIKE P L.Jitter，noise，and signal integrity at high－speed［M］.England NJ:Prentice Hall，2008.

［6］ 陳偉，黃秋元，周鵬.高速電路信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.