如何抑制PCB设计中的串扰以及PCB设计阻抗没法连续时怎么办


时间：2019-10-25

      如何抑制PCB设计中的串扰以及PCB设计阻抗没法连续时怎么办

      如何抑制PCB设计中的串扰 

      变化的信号（例如阶跃信号）沿传输线由A到B传播，传输线C-D上会产生耦合信号，变化的信号一旦结束也就是信号恢复到稳定的直流电平时，耦合信号也就不存在了，因此串扰仅发生在信号跳变的过程当中，并且信号沿的变化（转换率）越快，产生的串扰也就越大。

      空间中耦合的电磁场可以提取为无数耦合电容和耦合电感的集合，其中由耦合电容产生的串扰信号在受害网络上可以分成前向串扰和反向串扰Sc，这个两个信号极性相同；由耦合电感产生的串扰信号也分成前向串扰和反向串扰SL，这两个信号极性相反。

      耦合电感电容产生的前向串扰和反向串扰同时存在，并且大小几乎相等，这样，在受害网络上的前向串扰信号由于极性相反，相互抵消，反向串扰极性相同，叠加增强。串扰分析的模式通常包括默认模式，三态模式和最坏情况模式分析。

      默认模式类似我们实际对串扰测试的方式，即侵害网络驱动器由翻转信号驱动，受害网络驱动器保持初始状态（高电平或低电平），然后计算串扰值。这种方式对于单向信号的串扰分析比较有效。三态模式是指侵害网络驱动器由翻转信号驱动，受害的网络的三态终端置为高阻状态，来检测串扰大小。这种方式对双向或复杂拓朴网络比较有效。最坏情况分析是指将受害网络的驱动器保持初始状态，仿真器计算所有默认侵害网络对每一个受害网络的串扰的总和。

      这种方式一般只对个别关键网络进行分析，因为要计算的组合太多，仿真速度比较慢

      PCB设计总有几个阻抗没法连续的地方，怎么办？ 

      大家都知道阻抗要连续。但是，正如罗永浩所说“人生总有几次踩到大便的时候”，PCB设计也总有阻抗不能连续的时候。怎么办？

      特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流。

      如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电压为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。

      信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。

      影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。

      【1】渐变线

      一些RF器件封装较小，SMD焊盘宽度可能小至12mils，而RF信号线宽可能达50mils以上，要用渐变线，禁止线宽突变。

      【2】拐角

      RF信号线如果走直角，拐角处的有效线宽会增大，阻抗不连续，引起信号反射。为了减小不连续性，要对拐角进行处理，有两种方法：切角和圆角。圆弧角的半径应足够大，一般来说，要保证：R>3W。

      【3】大焊盘

      当50欧细微带线上有大焊盘时，大焊盘相当于分布电容，破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善：首先将微带线介质变厚，其次将焊盘下方的地平面挖空，都能减小焊盘的分布电容。

      【4】过孔

      过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。

      过孔的寄生参数

      若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如图1所示。

      过孔的等效电路模型

      从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：

      过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。

      它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于：

      过孔是引起RF 通道上阻抗不连续性的重要因素之一，如果信号频率大于1GHz，就要考虑过孔的影响。

      减小过孔阻抗不连续性的常用方法有：采用无盘工艺、选择出线方式、优化反焊盘直径等。优化反焊盘直径是一种最常用的减小阻抗不连续性的方法。由于过孔特性与孔径、焊盘、反焊盘、层叠结构、出线方式等结构尺寸相关，建议每次设计时都要根据具体情况用HFSS和Optimetrics进行优化仿真。

      当采用参数化模型时，建模过程很简单。在审查时，需要PCB设计人员提供相应的仿真文档。

      过孔的直径、焊盘直径、深度、反焊盘，都会带来变化，造成阻抗不连续性，反射和插入损耗的严重程度。

      【5】通孔同轴连接器

      与过孔结构类似，通孔同轴连接器也存在阻抗不连续性，所以解决方法与过孔相同。减小通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法同样是：采用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。