PCB设计影响特性阻抗的因素
PCB设计的阻抗总有不能连续的时候,那怎么办?
特性阻抗:也叫“特性阻抗”,它不是DC电阻,而是长线传输中的一个概念。在高频范围内,信号传输过程中,由于电场的建立,信号线和参考平面(电源或接地平面)之间会产生瞬时电流。
如果传输线是各向同性的,只要信号在传输,总会有电流I,如果信号的输出电压是V,那么在信号传输过程中,传输线将等效为一个V/I大小的电阻,这个等效电阻称为传输线的特征阻抗Z。
在信号传输过程中,如果传输路径上的特征阻抗发生变化,信号会在阻抗不连续的节点处发生反射。
影响特性阻抗的因素有:介电常数、介电厚度、线宽、铜箔厚度。
1、渐变线
有些射频器件封装小,贴片焊盘宽度可能小到12mils,射频信号线宽度可能超过50mils。应使用渐变线,禁止线宽突然变化。渐变线线条的过渡部分不宜过长。
2、拐角
如果射频信号线走直角,拐角处的有效线宽会增加,阻抗会不连续,造成信号反射。为了减少不连续性,有两种方法来处理拐角:拐角切割和圆角。圆弧的半径要足够大,一般来说要保证R>3W。
3、大焊盘
当50欧姆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。同时可以通过两种方法进行改进:一种是加厚微带线介质,另一种是将焊盘下方的接地层挖空,可以减小焊盘的分布电容。
4、过孔
过孔是镀在电路板顶层和底层之间的通孔外部的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔中未使用的部分。焊盘是将过孔连接到顶部或内部传输线的环形焊盘。隔离盘是每个电源或接地层内的环形间隙,用于防止电源和接地层短路。
过孔的寄生参数:
经过严格的物理理论推导和近似分析,过孔的等效电路模型可以看作电感两端串联的接地电容。
过孔的等效电路模型;
根据等效电路模型,过孔本身对地存在寄生电容。假设过孔反焊盘的直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基板的介电常数为ε,过孔的寄生电容类似于:
过孔的寄生电容将导致更长的信号上升时间和更慢的传输速度,从而降低信号质量。同样,过孔中也存在寄生电感。在高速数字PCB中,寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。
其寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,从而削弱了整个电源系统的滤波效率。l是过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心孔的直径。过孔的近似寄生电感类似于:
过孔是导致射频通道阻抗不连续的重要因素之一。如果信号频率大于1GHz,应考虑过孔的影响。
降低过孔阻抗不连续性的常用方法有:利用无盘工艺、选择出线方式、优化反焊盘直径等。优化反焊盘的直径是减少阻抗不连续性常用的方法之一。由于过孔的特性与孔径、焊盘、反焊盘、层叠结构、出线模式等结构尺寸有关,建议在每个设计中根据具体情况使用HFSS和Optimetrics来优化仿真。
采用参数化模型时,建模过程很简单。评审过程中,要求PCB设计人员提供相应的仿真文档。
过孔直径、焊盘直径、反焊盘、深度,会带来变化,导致阻抗不连续,反射和插入损耗的程度严重。
5、通孔同轴连接器
与过孔结构类似,带过孔的同轴连接器也存在阻抗不连续的问题,因此解决方案与过孔相同。降低通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法是利用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。
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