高速電路PCB過孔優(yōu)化的仿真

曹小華，甘俊英，李德鋒，張建明

?

高速電路PCB過孔優(yōu)化的仿真

曹小華1，甘俊英1，李德鋒2，張建明2

（1. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 江門奧威斯電子有限公司，廣東 江門 529000）

針對高速背板的過孔Stub效應(yīng)設(shè)計了幾種優(yōu)化方法：對單過孔，采用高速布線中換層盡量遠(yuǎn)或采用背鉆工藝以減少Stub效應(yīng)對信號的影響；對差分過孔，在差分過孔旁邊打一對地過孔和對差分殘段進(jìn)行背鉆處理以減少Stub效應(yīng)對信號的影響. 利用HFSS建立三維模型以驗證方法的有效性，仿真結(jié)果表明，本文方法消除了過孔Stub效應(yīng)、改善了信道的信號質(zhì)量.

印制電路板；過孔；短柱效應(yīng)

現(xiàn)代高速數(shù)字電路板采用多層PCB板，要將高速信號從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚由系幕ミB線，需要用過孔來連接[1-3]. 信號頻率低于2GHz時，過孔對連接不同層PCB板的互連線來說，提供了一個良好的橋梁，其寄生參數(shù)的影響可以忽略；但是當(dāng)頻率高于2GHz時，過孔的寄生電容和電感的影響就不能忽略，尤其是對寬頻帶的高速信號，其寄生效應(yīng)更為復(fù)雜，此時過孔相當(dāng)于信號在傳輸路徑上不連續(xù)，將導(dǎo)致信號的反射、衰減等問題[4-6]；因此，在高速PCB電路板的設(shè)計中過孔已經(jīng)成為影響信號傳輸質(zhì)量的重要因素. 本文對單過孔、差分過孔進(jìn)行了研究，設(shè)計了減少過孔Stub效應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，并用HFSS建立過孔的三維模型驗證方法的有效性.

1 單過孔優(yōu)化的仿真分析

研究一塊18層PCB測試板4種不同類型的過孔Stub效應(yīng)帶來的信號完整性問題. 如圖1所示的測試板，L1、L3、L5、L7、L12、L14、L16和L18層均為信號層，其余層均為地平面. 這樣疊層的好處就是使每個信號層都有各自的參考平面，以利于信號高頻分量的回流；另外，也可以屏蔽不同走線層間信號的相互干擾和來自外部其他信號的干擾. 測試板的每層高度通過切片分析得到.

過孔的相關(guān)參數(shù)為：鉆孔直徑0.325 mm，孔壁銅厚18 μm，焊盤直徑0.6 mm，反焊盤直徑1 mm，信號引線阻抗50 Ω. 為研究不同過孔走線的特性，需要在頂層、第3層、底層走信號線. 過孔包括4種極端情況：1）Stub最長；2）Stub最短，去除Regular Pad；3）Stub最短，保留Regular Pad；4）去掉Stub. 圖2a）是連接第1層和第3層信號的過孔模型. 由于信號在第3層就已經(jīng)被信號線引出，所以過孔下面有很長一截Stub；圖2b）、2c）的過孔連接著第1層和第18層信號層，其Stub最短；圖2d）是背鉆后的過孔模型，沒有Stub.

圖2 4種不同情況的過孔模型

圖3 4種不同情況的過孔仿真S參數(shù)曲線

2 差分過孔優(yōu)化的仿真分析

PCB板總線速度目前越來越高，布線越來越密，很多因素影響信號的完整性，如過孔、傳輸線阻抗不連續(xù)、串?dāng)_等[4-5]. 差分信號的完整性也會受到過孔的影響，在差分過孔旁邊打上一對地孔，或者對差分過孔的殘余部分進(jìn)行背鉆處理，將改善高速差分信號傳輸?shù)馁|(zhì)量.

差分過孔采用的模型疊層結(jié)構(gòu)和前面單過孔的疊層情況相同，板上過孔的相關(guān)參數(shù)：信號孔的孔徑0.65 mm，孔壁銅厚18 μm，Pad1.2 mm，Anti_pad1.8 mm；接地孔的孔徑1.1 mm，孔壁銅厚18 μm，Pad1.8 mm，Anti_pad2.6 mm；信號孔間的距離（中心）2 mm，信號孔與接地孔間距（中心）2.5 mm，差分線的線寬0.2 mm，間距（沿到沿）0.4 mm.

2.1 未加地孔的差分過孔

S參數(shù)是頻域上的函數(shù)，而數(shù)字信號是時域上的方波[6]. 最直觀的研究方法是將頻域上的模型轉(zhuǎn)換到時域上來分析. 常用的方法是在HFSS中提取S參數(shù)模型文件，調(diào)入到Ansoft Designer中對眼圖仿真. 圖5是仿真得到的眼圖，使用的激勵信號是1 024 bit的偽隨機比特流（PRBS），掃描10個序列. 從圖5可知，在引入較長Stub及無接地孔時抖動比較大，眼皮較厚，差分過孔性能不理想. 如何消除過孔的Stub效應(yīng)，是Gbps級高速電路設(shè)計所面臨的一個問題.

圖4 差分過孔3D模型和S參數(shù)曲線

圖5 未加地過孔的差分過孔時域仿真眼圖

2.2 加地孔的差分過孔

改善信道質(zhì)量的一個簡單方法是在差分過孔旁邊打上地孔，從而給信號提供最近的回流路徑，同時也便于阻抗控制，減少反射電流. 圖6a）是在HFSS中對圖4a）中的模型加上一對地孔后的模型. 地孔與差分過孔的距離是2.5 mm；地孔僅用于連接地層，本身不出線.

使用測試電路，并加載激勵信號為1 024 bit的PRBS，掃描10個序列，得到加上地孔后的差分過孔眼圖，如圖7所示. 靠近的地孔作為回流路徑后，眼圖得到明顯改善：高度增大了很多，抖動也有所減小. 這是因為差分過孔有地孔作為參考，阻抗得到控制，降低了反射信號強度，同時有地孔作為回流路徑，電磁輻射得到了控制.

圖6 加地孔的差分過孔模型和S參數(shù)曲線

圖7 加地過孔的差分過孔時域仿真眼圖

2.3 加地孔并背鉆的差分過孔

設(shè)計阻抗可控差分過孔還有一種有效的方法，即背鉆技術(shù). 圖8a）是在HFSS中對圖6a）過孔進(jìn)行背鉆后所建的模型，即把孔第4層到第18層的殘余部分去掉，信號只流經(jīng)有效通路：從第1層到第3層，以此避免長的Stub對信道產(chǎn)生的干擾. 背鉆后的S參數(shù)曲線如圖8b）所示. 與圖4b）和6b）對比后發(fā)現(xiàn)，背鉆后，差分過孔的傳輸參數(shù)與反射參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，信道的頻率響應(yīng)曲線也比較平滑. 使用1 024 bit的PRBS，掃描10個序列，得到差分過孔背鉆以后的差分過孔眼圖，如圖9所示，其眼圖抖動小，差分過孔的性能得到進(jìn)一步優(yōu)化.

圖8 加地孔并背鉆的差分過孔模型和S參數(shù)曲線

圖9 加地過孔并背鉆的差分過孔時域仿真眼圖

3 結(jié)語

本文對因背板廣泛應(yīng)用而帶來的過孔Stub效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了減少過孔殘段Stub效應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，并利用HFSS建立了過孔的三維模型，仿真結(jié)果表明了本文設(shè)計方法的正確性.

[1] 賈碩. 印刷電路板的過孔[J]. 電子電路與貼裝，2005(6), 13-14, 16.

[2] 劉燁銘. 高速多板系統(tǒng)信號完整性建模和仿真技術(shù)研究[D]. 長沙：國防科技技術(shù)大學(xué)，2007.

[3] 袁子建，吳志敏，高舉. 高速PCB的過孔設(shè)計[J]. 電子工藝技術(shù)，2002, 23(4): 158-159.

[4] 胡勁松. LVDS信號完整性分析及高速背板設(shè)計[D]. 南京：東南大學(xué)，2004.

[5] 金煒東. 高速PCB信號完整性分析及應(yīng)用[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[6]BOGATIN E. 信號完整性分析[M]. 李玉山，李麗平，譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Via-hole Optimal Simulation of High Speed Circuit PCBs

CAOXiao-hua1, GANJun-ying1, LIDe-feng2, ZHANGJian-ming2

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. Jiangmen AudioVisio Electronics CO. LTD., Jiangmen 529000, China)

Several optimization methods are studied for high speed backboard Stub effect. For single via-holes, high speed route or back drill technology is utilized to reduce the via-hole stub effect on signals. For difference via-holes, a pair of terra via-holes beside difference via-holes and back drill process for difference stub is used to reduce the via-hole stub effect on signals. In this paper, a three-dimensional model is built by way of HFSS to validate the effectiveness. Experimental results demonstrate that via-hole stub effect is eliminated and the quality of signal is improved.

PCB; Via-holes; Stub effect

1006-7302（2012）01-0053-05

TP303

A

2011-06-29

國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 61072127，No. 61070167）；廣東省自然科學(xué)基金資助項目（10152902001000002，07010869）；廣東省高等學(xué)校高層次人才項目（粵教師函〔2010〕79號）

曹小華（1984—），男，江西贛州人，在讀碩士生，研究方向為信號完整性處理；甘俊英，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為圖像信息處理、人機互動、圖像識別等.