阻抗受控的通孔之设计27044.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.阻抗受控的通孔之设计 要想保持印制电路板信号完整性，就应该采用能使印制线阻抗得到精确匹配的层间互连（通孔）这样一种独特方法。随着数数据通信信速度提提高到33Gbpps以上上，信号号完整性性对于数数据传输输的顺利利进行至至关重要要。电路路板设计计人员试试图消除除高速信信号路径径上的每每一个阻阻抗失配配，因为为这些阻阻抗失配配会产生生信号抖抖动并降降低数据据眼的张张开程度度从而而不仅缩缩短数据据传输的的最大距距离，而而且还将将诸如SSONEET（同同步光网网络）

2、或或XAUUI（110Gbb附属单单元接口口）等通通用抖动动规范的的余量降降到最低低程度。由于印印刷电路路板上的的信号密密度的提提高，就就需要更更多的信信号传输输层，而而且通过过层间互互连（通通孔）实实现传输输也是不不可避免免的。过过去，通通孔代表表一种产产生信号号失真的的重要来来源，因因为其阻阻抗通常常大约为为2535。这么么大的阻阻抗不连连续性会会使数据据眼图的的张开程程度降低低3dBB，并会会依据数数据速率率大小而而产生大大量的抖抖动。结结果，电电路板设设计人员员要么尝尝试避免免在高速速线路上上使用通通孔，要要么尝试试采用新新技术，例例如镗孔孔或盲孔孔。这些些方法虽虽然有用用，但却却会增

3、加加复杂度度并大大大提高电电路板成成本。可以利利用一种种新的“类似同同轴的”通孔结结构来避避免标准准通孔出出现的严严重阻抗抗失配问问题。这这种结构构以一种种特殊的的配置将将接地通通孔放置置在信号号通孔四四周。采采用这种种技术设设计的通通孔在TTDR（时时域反射射计）曲曲线上显显示阻抗抗不连续续性低于于4%（5502）和信信号质量量有所改改善。这这种新方方法产生生一个阻阻抗可调调的垂直直通道。开开发人员员利用信信号线在在中心的的简单同同轴模型型产生这这种通孔孔结构；四周的的接地屏屏蔽产生生一个均均匀分布布的阻抗抗。四个个在中心心信号通通孔四周周排成一一圈的接接地通孔孔取代了了均匀的的接地屏屏蔽（

4、图图1）。因因为这四四个外通通孔都连连接到印印制电路路板接地地或VDDD（电电源），所所以它们们携带电电荷，而而且其中中每一个个通孔与与信号通通孔之间间形成电电容。电电容量的的计算取取决于通通孔直径径、介电电常数以以及信号号通孔和和接地通通孔之间间的距离离。中心心通孔的的间隙（凹凹缘）“触及”外层通通孔，所所以电容容量沿垂垂直通道道均匀分分布防止每每一电源源平面和和接地平平面的电电容量急急剧增加加。外侧侧的接地地通孔为为信号返返回电流流提供路路径，并并在信号号通孔和和接地通通孔之间间形成一一个电感感回路。图1 印制制电路板板层间互互连设计计的新技技术提供供可预测测的路径径阻抗和和改进的的信号完

5、完整性。你可以以利用简简单的公公式（参参考文献献1）计计算出由由一个接接地通孔孔与信号号通孔形形成的电电容量和和电感量量。计算算时，你你可以假假定这两两个通孔孔实质上上是两根根直径相相同的导导线。DD为通孔孔的直径径，a为为信号通通孔和接接地通孔孔之间的的中心距距。一对对通孔的的电感LL的计算算公式为为：一对通通孔的电电容C计计算公式式为：因为为主要由由5个通通孔构成成的垂直直通道是是均匀的的，因此此一对通通孔的的的阻抗ZZ的计算算公式为为：公式11计算了了标准双双线系统统的电容容量。改改进的通通孔结构构增加了了三个额额外的接接地通孔孔，所以以信号通通孔中的的正电荷荷量保持持不变，但但所有的的

6、负电荷荷则均匀匀地分布布在四个个接地通通孔上。因因此，改改进的通通孔结构构的总电电容量大大约与双双线系统统的总电电容相同同。但是是，这种种通孔模模型的电电感量则则是双线线系统电电感量的的四分之之一，因因为信号号通孔与与四个接接地通孔孔之间构构成了四四个并联联的电感感回路，从从而通孔孔的阻抗抗Z为：试验人人员在从从60密密耳厚的的6层电电路板到到1300密耳厚厚的166层电路路板上使使用FRR4 ppolyyclaad 3370、GGeteec和RRogeers电电路板材材料，对对这种通通孔结构构进行了了测试。他他们利用用TDRR测量和和基于CCST（计计算机仿仿真技术术）的33-D场场测定仪仪

7、验证了了计算所所得的通通孔阻抗抗。他们们推导的的公式预预示无论论电路板板的厚度度如何，阻阻抗都格格外地好好（2），因因为通孔孔的阻抗抗公式与与电路板板厚度无无关。表表1将计计算获得得的6层层62密密耳FRR4测试试电路板板（err=4.1）的的阻抗与与TDRR测量结结果和基基于CSST的MMicrrowaave Stuudioo 3-D场测测定仪仿仿真所得得的阻抗抗值进行行了比较较。计算算所得的的通孔阻阻抗与测测量结果果的误差差在2之内。 图2 黄色色波形表表示具有有常规通通孔的通通道的TTDR曲曲线。绿绿色波形形表示具具有阻抗抗受控通通孔的通通道的TTDR曲曲线。 TDRR曲线是是确定通通孔

8、阻抗抗或信号号通道上上其它不不连续性性的一种种好方法法。图22示出了了在测试试板的两两个几乎乎相同的的通道上上测得的的TDRR曲线。唯唯一的差差别是，一一个通道道具有直直径为114.55密耳、凹凹缘（间间隙）为为10密密耳的常常规通孔孔，而另另一个通通道则具具有直径径为144.5密密耳、中中心距离离为411密耳的的改进型型通孔结结构。TTDR曲曲线表明明，SMMA连接接器的阻阻抗失配配在两种种情况下下都是相相同的。受受控阻抗抗通孔的的阻抗大大约为552，而常常规通孔孔的阻抗抗为488544。常规规通孔的的阻抗匹匹配比改改进型通通孔结构构的要差差。但是是，对于于常规通通孔来说说，匹配配还是不不错

9、的，而而且，根根据这一一TDRR曲线，你你应当预预计到信信号失真真很小。3 这种SS21曲曲线示出出了用绿绿色表示示的阻抗抗受控通通孔和用用黄色表表示的常常规通孔孔。TDRR测量的的一个缺缺点是，测测量结果果是与设设备上升升时间相相关的。它它没有显显示离散散频率不不连续性性的频率率响应。一一种验证证和比较较通孔阻阻抗失配配的更好好方法是是观察网网络分析析仪的SS21散散射参数数。S221曲线线示出了了特定频频率的信信号是如如何通过过传输线线通道的的而其它它频率的的信号是是如何被被反射或或衰减的的。图33示出了了TDRR测量中中两个通通道的SS21曲曲线。两两个通道道是相同同的，唯唯一的差差别是

10、一一个通道道具有改改进型通通孔结构构（绿色色曲线），而而另一个个通道具具有常规规通孔（黄黄色曲线线）。这这种改进进型通孔孔结构表表明频率率响应极极好，第第一谐振振出现在在大约110 GGHz处处。另一一方面，常常规通孔孔表明，即即使阻抗抗失配很很小，在在整个频频率段内内仍有多多重反射射。这些些反射导导致信号号在某些些频率比比其它频频率衰减减得更大大，因而而进一步步降低了了高速信信号的质质量。图4 试验验人员开开发了一一块既有有标准通通孔又有有改进的的阻抗通通孔的测测试电路路板，用用以测量量信号性性能。在这块块测试板板上，SSMA连连接器和和通孔之之间的距距离大约约为1.4英寸寸，这相相当于SS

11、21曲曲线上清清晰可见见的大约约2.335 GGHz频频率（利利用公式式2）。虽虽然非对对称通道道不连续续性的频频率响应应可能略略微不同同，但是是通道都都被设计计成对称称的。引引起黄色色常规通通孔曲线线上其它它反射的的主要是是信号返返回电流流路径。因为常常规通孔孔不为信信号返回回电流提提供路径径，所以以信号返返回电流流要走与与常规通通孔最近近的最小小电感量量的路径径。信号号返回电电流流过过SMAA连接器器的接地地通孔，并并流过相相邻通道道的接地地通孔结结构。因因为信号号返回电电流走最最近的路路径，所所以正如如你所预预料的，SS21曲曲线上的的谐振频频率约为为5 GGHz（00.7英英寸），而而

12、不是44.2 GHzz（0.8英寸寸）。此此外，信信号返回回电流从从该SMMA的接接地通孔孔流到远远端SMMA连接接器（一一条大约约1.66英寸长长的电流流路径），从从而在大大约2 GHzz时引起起另一个个谐振（公公式3和和4）。你你可以在在S211曲线上上清晰地地观察到到返回电电流引起起的这两两种现象象。下列公公式可以以计算出出具有常常规通孔孔的通道道的谐振振频率： 你根据据S211测量可可以得出出的第一一个结论论是，谐谐振频率率与传输输线上阻阻抗不连连续性的的位置有有很大关关系。这这样说并并不意味味着你应应该将通通孔置放放在靠近近发射器器或连接接器的地地方，以以便使阻阻抗失配配出现在在大于

13、110 GGHz的的频率上上。不幸幸的是，这这种方法法实际上上只是在在接收器器处阻抗抗完美匹匹配时才才有效。否否则，接接收器处处将出现现一个反反射信号号，而且且在最靠靠近发射射器的通通孔处将将出现另另一个反反射信号号。这些些反射信信号导致致从接收收器到通通孔再到到接收器器的距离离很长，这这又进而而转换成成一个很很低的谐谐振频率率。根据SS21测测量得出出的第二二个结论论是信号号返回电电流会产产生大量量的反射射。S221测量量示出了了两个几几乎相同同、只是是信号返返回路径径不同的的通道及及其略有有差别的的阻抗失失配。SS21曲曲线表明明，常规规通孔在在没有这这条很近近的返回回路径时时会产生生较多

14、的的反射，因因为信号号返回电电流走的的是距离离最近的的、电感感量最小小的路径径，即使使相差一一英寸，也也会引起起谐振。 图5 一组组对阻抗抗受控通通孔（aa）和常常规通孔孔（b）的的电流密密度进行行比较的的曲线，表表明返回回电流流流过一定定距离的的附加接接地通孔孔。 信号返回回电流可可能流过过相邻电电源平面面和接地地平面的的内平面面电容，但但是那种种电容通通常很小小，只有有高频才才能通过过。在大大多数情情况下，信信号返回回电流流流过连接接信号印印制线各各参考层层的最近近的通孔孔。那些些返回电电流通孔孔可能远远离实际际信号通通孔很远远。为了了验证这这一效应应，试验验人员将将一个接接地通孔孔放置在

15、在离常规规通孔大大约1000密耳耳的地方方，然后后绘制阻阻抗受控控通孔的的电流密密度以及及常规通通孔的电电流密度度。很明明显，大大部分返返回电流流流过了了一定距距离之外外的附加加接地通通孔。这这种返回回电流的的额外距距离导致致出现在在S211曲线中中的各种种反射。 图6 比特特流的数数据眼图图曲线表表明，常常规通孔孔（黄色色曲线）衰衰减多个个频率，导导致眼图图和上升升时间分分别比阻阻抗受控控通孔（绿绿色曲线线）的小小和慢。在你考考察具有有很宽频频谱的实实际数据据信号，如如PRBBS（伪伪随机比比特流）图图时，宽宽带反射射的影响响变得更更加明显显。为了了说明这这种影响响，试验验人员以以3.112

16、5 Gbpps速率率在两个个通道中中传送一一个2771 PPRBSS图，并并记录输输出波形形。两个个通道都都只有22.8英英寸长，但但通孔的的影响清清晰可见见。常规规通孔（黄黄色曲线线）衰减减多个频频率，结结果使其其数据眼眼图上升升时间分分别比阻阻抗受控控通孔的的（绿色色曲线）小小和慢。最后，阻阻抗失配配应该尽尽可能小小。即使使是最小小的失配配也会出出现在SS21曲曲线的一一个离散散频率上上并影响响信号质质量。你你只要满满足诸如如间隔、印印制线宽宽度和焊焊区宽度度等重要要设计参参数，就就可最大大程度提提高阻抗抗受控通通孔的性性能。例例如，信信号通孔孔的凹缘缘（或者者间隙）大大小非常常关键。它它

17、必须至至少是信信号通孔孔和接地地通孔之之间的距距离a与与通孔直直径D之之差，这这样信号号通孔凹凹缘才能能触及接接地通孔孔。否则则，接地地层、电电源层或或者两者者上的金金属就会会与信号号通孔靠靠得太近近，产生生不希望望的额外外电容，从从而使通通孔阻抗抗降低到到低于计计算所得得的500。同样，将将顶层或或底层微微带线与与内层微微带线连连接起来来的每一一个通孔孔都会产产生一根根短截线线。当短短截线长长度小于于信号上上升时间间时，该该短截线线就几乎乎察觉不不到。如如果短截截线长度度比较长长，就会会引起可可观的信信号失真真。例如如，一根根40密密耳长的的短截线线在信号号上升时时间约为为50pps、信信号

18、速率率为3.1255Gbpps的系系统中具具有大约约14pps的信信号运行行长度。在在最坏的的情况下下，短截截线的长长度为某某个重要要频率的的四分之之一波长长，因此此短截线线对该频频率来说说是短路路的，从从而使原原始信号号消失。上面几几个公式式都假定定信号通通孔和接接地通孔孔的直径径是相同同的。如如要使用用不同的的直径，你你就必须须修改电电容量公公式。设设计人员员应该根根据所连连接的印印制线宽宽度选择择通孔直直径。如如果印制制线比通通孔小得得多，那那么从550印制线线到通孔孔焊区的的过渡就就会引起起不希望望有的阻阻抗不连连续性。设设计人员员还应该该考虑接接地通孔孔与所连连接印制制线之间间的距离

19、离。当接接地通孔孔与印制制线的间间隔小于于印制线线与参考考层之间间的距离离，产生生额外印印制线电电容，进进而使印印制线阻阻抗降低低到小于于50时，这这就会成成为一个个问题。例例如，在在测试板板上，信信号印制制线与接接地通孔孔之间的的距离大大约为111密耳耳，而印印制线在在接地参参考层上上方大约约10密密耳。另一个个重要的的设计考考虑因素素是焊区区大小，因因为每一一个连接接印制线线的通孔孔都需要要一个焊焊区。该该焊区应应该尽可可能小，因因为从焊焊区到接接地通孔孔的距离离小于从从信号通通孔到接接地通孔孔的距离离。由于于这些焊焊区的缘缘故，使使距离缩缩短，电电容增大大，进而而使总阻阻抗降低低。在一个

20、个典型的的设计中中，并非非总有四四个接地地通孔。只只要返回回电流有有一条通通过一只只附近的的旁路电电容器从从VDDD到地的的路径，该该通孔结结构和电电源通孔孔一起就就具有同同样好的的性能。例如，现现在来考考虑在具具有1毫毫米栅格格的BGGA输出出引脚内内包含这这种通孔孔结构的的电路板板。由于于是固定定输出引引脚，所所以你只只可以将将两个外外通孔接接地；而而将另外外两个通通孔连接接到VDDD。这这种通孔孔结构之之所以性性能良好好，乃是是因为你你还可以以将SMMD旁路路电容器器连接在在BGAA内的VVDD与与地之间间。你也可可以将这这种通孔孔结构用用于差分分信号。差差分信号号可以共共用两个个外通孔

21、孔，节省省电路板板空间。德德州仪器器公司在在其XAAUI收收发器的的评估电电路板上上采用了了这种方方法，因因为这种种电路板板的BGGA内空空间有限限。对于于阻抗受受控通孔孔来说，层层间间隔隔的大小小无关紧紧要，因因为形成成电容的的是接地地通孔，而而不是金金属层。但但是，常常规通孔孔取决于于层间电电容。因因此，即即使电路路板的厚厚度没有有变化，你你也必须须为不同同的层堆堆叠专门门设计通通孔。参考文献11.Pozzar, Daavidd M, Miicroowavve EEngiineeerinng, Seccondd Edditiion, Joohn Willey & SSonss Innc, 19998, pg 62.