如何抑制PCB設計中的串擾以及PCB設計阻抗沒法連續時怎么辦


時間：2019-10-25

      如何抑制PCB設計中的串擾以及PCB設計阻抗沒法連續時怎么辦

      如何抑制PCB設計中的串擾 

      變化的信號（例如階躍信號）沿傳輸線由A到B傳播，傳輸線C-D上會產生耦合信號，變化的信號一旦結束也就是信號恢復到穩定的直流電平時，耦合信號也就不存在了，因此串擾僅發生在信號跳變的過程當中，并且信號沿的變化（轉換率）越快，產生的串擾也就越大。

      空間中耦合的電磁場可以提取為無數耦合電容和耦合電感的集合，其中由耦合電容產生的串擾信號在受害網絡上可以分成前向串擾和反向串擾Sc，這個兩個信號極性相同；由耦合電感產生的串擾信號也分成前向串擾和反向串擾SL，這兩個信號極性相反。

      耦合電感電容產生的前向串擾和反向串擾同時存在，并且大小幾乎相等，這樣，在受害網絡上的前向串擾信號由于極性相反，相互抵消，反向串擾極性相同，疊加增強。串擾分析的模式通常包括默認模式，三態模式和最壞情況模式分析。

      默認模式類似我們實際對串擾測試的方式，即侵害網絡驅動器由翻轉信號驅動，受害網絡驅動器保持初始狀態（高電平或低電平），然后計算串擾值。這種方式對于單向信號的串擾分析比較有效。三態模式是指侵害網絡驅動器由翻轉信號驅動，受害的網絡的三態終端置為高阻狀態，來檢測串擾大小。這種方式對雙向或復雜拓樸網絡比較有效。最壞情況分析是指將受害網絡的驅動器保持初始狀態，仿真器計算所有默認侵害網絡對每一個受害網絡的串擾的總和。

      這種方式一般只對個別關鍵網絡進行分析，因為要計算的組合太多，仿真速度比較慢

      PCB設計總有幾個阻抗沒法連續的地方，怎么辦？ 

      大家都知道阻抗要連續。但是，正如羅永浩所說“人生總有幾次踩到大便的時候”，PCB設計也總有阻抗不能連續的時候。怎么辦？

      特性阻抗：又稱“特征阻抗”，它不是直流電阻，屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內，信號傳輸過程中，信號沿到達的地方，信號線和參考平面（電源或地平面）間由于電場的建立，會產生一個瞬間電流。

      如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而如果信號的輸出電壓為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。

      信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的結點產生反射。

      影響特性阻抗的因素有：介電常數、介質厚度、線寬、銅箔厚度。

      【1】漸變線

      一些RF器件封裝較小，SMD焊盤寬度可能小至12mils，而RF信號線寬可能達50mils以上，要用漸變線，禁止線寬突變。

      【2】拐角

      RF信號線如果走直角，拐角處的有效線寬會增大，阻抗不連續，引起信號反射。為了減小不連續性，要對拐角進行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應足夠大，一般來說，要保證：R>3W。

      【3】大焊盤

      當50歐細微帶線上有大焊盤時，大焊盤相當于分布電容，破壞了微帶線的特性阻抗連續性。可以同時采取兩種方法改善：首先將微帶線介質變厚，其次將焊盤下方的地平面挖空，都能減小焊盤的分布電容。

      【4】過孔

      過孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過孔連接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地層內的環形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

      過孔的寄生參數

      若經過嚴格的物理理論推導和近似分析，可以把過孔的等效電路模型為一個電感兩端各串聯一個接地電容，如圖1所示。

      過孔的等效電路模型

      從等效電路模型可知，過孔本身存在對地的寄生電容，假設過孔反焊盤直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T,板基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似于：

      過孔的寄生電容可以導致信號上升時間延長，傳輸速度減慢，從而惡化信號質量。同樣，過孔同時也存在寄生電感，在高速數字PCB中，寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容。

      它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，從而減弱整個電源系統的濾波效用。假設L為過孔的電感，h為過孔的長度，d為中心鉆孔的直徑。過孔近似的寄生電感大小近似于：

      過孔是引起RF 通道上阻抗不連續性的重要因素之一，如果信號頻率大于1GHz，就要考慮過孔的影響。

      減小過孔阻抗不連續性的常用方法有：采用無盤工藝、選擇出線方式、優化反焊盤直徑等。優化反焊盤直徑是一種最常用的減小阻抗不連續性的方法。由于過孔特性與孔徑、焊盤、反焊盤、層疊結構、出線方式等結構尺寸相關，建議每次設計時都要根據具體情況用HFSS和Optimetrics進行優化仿真。

      當采用參數化模型時，建模過程很簡單。在審查時，需要PCB設計人員提供相應的仿真文檔。

      過孔的直徑、焊盤直徑、深度、反焊盤，都會帶來變化，造成阻抗不連續性，反射和插入損耗的嚴重程度。

      【5】通孔同軸連接器

      與過孔結構類似，通孔同軸連接器也存在阻抗不連續性，所以解決方法與過孔相同。減小通孔同軸連接器阻抗不連續性的常用方法同樣是：采用無盤工藝、合適的出線方式、優化反焊盤直徑。