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PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo):如何改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)?

發(fā)布時(shí)間:2015-03-26 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】信號(hào)或電磁波在高頻領(lǐng)域必須沿著均勻特征阻抗的傳輸途徑進(jìn)行傳播。但是,一但遇到阻抗失配或不連續(xù)的現(xiàn)象,就會(huì)有一部分信號(hào)被反射回發(fā)送端,剩余部分電磁波則會(huì)繼續(xù)傳輸?shù)浇邮斩?。本文主要講解的就是在PCB設(shè)計(jì)過程中,如何改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤的設(shè)計(jì)。

信號(hào)反射和衰減的程度取決于阻抗不連續(xù)的程度。當(dāng)失配阻抗幅度增加時(shí),更大部分的信號(hào)會(huì)被反射,接收端觀察到的信號(hào)衰減或劣化也就更多。

阻抗失配現(xiàn)象在交流耦合(又稱隔直)電容的SMT焊盤、板到板連接器以及電纜到板連接器(如SMA)處經(jīng)常會(huì)遇到。

在如圖1所示的交流耦合電容SMT焊盤的案例中,沿著具有100Ω差分阻抗和5mil銅箔寬度的PCB走線傳播的信號(hào),在到達(dá)具有更寬銅箔(如0603封裝的30mil寬)的SMT焊盤時(shí)將遇到阻抗不連續(xù)性。這種現(xiàn)象可以用式(1)和式(2)解釋。銅箔的橫截面積或?qū)挾鹊脑黾訉⒃龃髼l狀電容,進(jìn)而給傳輸通道的特征阻抗帶來電容不連續(xù)性,即負(fù)的浪涌。

改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
 
為了盡量減小電容的不連續(xù)性,需要裁剪掉位于SMT焊盤正下方的參考平面區(qū)域,并在內(nèi)層創(chuàng)建銅填充,分別如圖2和圖3所示。這樣可以增加SMT焊盤與其參考平面或返回路徑之間的距離,從而減小電容的不連續(xù)性。同時(shí)應(yīng)插入微型縫合過孔,用于在原始參考平面和內(nèi)層新參考銅箔之間提供電氣和物理連接,以建立正確的信號(hào)返回路徑,避免EMI輻射問題。

改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
但是,距離“d ”不應(yīng)增加得太大,否則將使條狀電感超過條狀電容并引起電感不連續(xù)性。式中:

C =條狀電容(單位:pF);

L =條狀電感(單位:nH);

Zo =特征阻抗(單位:Ω);

ε=介電常數(shù);

w =SMT焊盤寬度;

l =SMT焊盤長度;

d =SMT焊盤和下方參考平面之間的距離;

t =SMT焊盤的厚度。

相同概念也可以應(yīng)用于板到板(B2B)和電纜到板(C2B)連接器的SMT焊盤。

下面將通過TDR和插損分析完成上述概念的驗(yàn)證。分析是通過在EMPro軟件中建立SMT 焊盤3D 模型, 然后導(dǎo)入Keysight ADS中進(jìn)行TDR和插損仿真完成的。
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分析交流耦合電容的SMT焊盤效應(yīng)

在EMPro中建立一個(gè)具有中等損耗基板的SMT的3D模型,其中一對微帶差分走線長2英寸、寬5mil,采用單端模式,與其參考平面距離3.5mil,這對走線從30mil寬SMT焊盤的一端進(jìn)入,并從另一端引出。

改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
 
圖4和圖5分別顯示了仿真得到的TDR和插損圖。參考平面沒有裁剪的SMT設(shè)計(jì)造成的阻抗失配是12Ω,插損在20GHz時(shí)為-6.5dB。一旦對SMT焊盤下方的參考平面區(qū)域進(jìn)行了裁剪(其中“d ”設(shè)為10mil),失配阻抗就可以減小到2Ω,20GHz時(shí)的插損減小到-3dB。進(jìn)一步增加“d ”會(huì)導(dǎo)致條狀電感超過電容,從而引起電感不連續(xù)性,轉(zhuǎn)而使插損變差(即-4.5dB)。

分析B2B連接器的SMT焊盤效應(yīng)

在EMPro中建立一個(gè)B2B連接器的SMT焊盤的3D模型,其中連接器引腳間距是20mil,引腳寬度是6mil,焊盤連接到一對長5英寸、寬5mil,采用單端模式的微帶差分走線,走線距其參考平面3.5mil。SMT焊盤的厚度是40mil,包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的這個(gè)厚度幾乎是微帶PCB走線厚度的40倍。

改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤設(shè)計(jì)
 
銅厚度的增加將導(dǎo)致電容的不連續(xù)性和更高的信號(hào)衰減。這種現(xiàn)象可以分別由圖6和圖7所示的TDR和插損仿真圖中看出來。通過裁剪掉SMT焊盤正下方適當(dāng)間距“d ”(即7mil)的銅區(qū)域,可以最大限度地減小阻抗失配。

結(jié)語

本文的分析證明,裁剪掉SMT焊盤正下方的參考平面區(qū)域可以減小阻抗失配,增加傳輸線的帶寬。SMT焊盤與內(nèi)部參考銅箔之間的距離取決于SMT焊盤的寬度以及包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的SMT焊盤有效厚度。在PCB投產(chǎn)之前應(yīng)先進(jìn)行3D建模和仿真,確保構(gòu)建的傳輸通道具有良好的信號(hào)完整性。

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