在一個(gè)高速印刷電路板(PCB) 中，通孔在降低信號完整性性能方面一直飽受詬病。然而，過孔的使用是不可避免的。在標(biāo)準(zhǔn)的電路板上，元器件被放置在頂層，而差分對的走線在內(nèi)層。內(nèi)層的電磁輻射和對與對之間的串?dāng)_較低。必須使用過孔將電路板平面上的組件與內(nèi)層相連。

幸運(yùn)的是，可設(shè)計(jì)出一種透明的過孔來最大限度地減少對性能的影響。在這篇博客中，我將討論以下內(nèi)容：

· 過孔的基本元件
· 過孔的電氣屬性
· 一個(gè)構(gòu)建透明過孔的方法
· 差分過孔結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

1. 過孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識

讓我們從檢查簡單過孔中將頂部傳輸線與內(nèi)層相連的元件開始。圖1是顯示過孔結(jié)構(gòu)的3D圖。有四個(gè)基本元件：信號過孔、過孔殘樁、過孔焊盤和隔離盤。

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(huán)狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個(gè)電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

圖1：單個(gè)過孔的3D圖

2. 過孔元件的電氣屬性

如表格1所示，我們來仔細(xì)看一看每個(gè)過孔元件的電氣屬性。

表1：圖1中顯示的過孔元件的電氣屬性

一個(gè)簡單過孔是一系列的π型網(wǎng)絡(luò)，它由兩個(gè)相鄰層內(nèi)構(gòu)成的電容-電感-電容(C-L-C) 元件組成。表格2顯示的是過孔尺寸的影響。

表2：過孔尺寸的直觀影響

通過平衡電感與寄生電容的大小，可以設(shè)計(jì)出與傳輸線具有相同特性阻抗的過孔，從而變得不會對電路板運(yùn)行產(chǎn)生特別的影響。還沒有簡單的公式可以在過孔尺寸與C和L元件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3D電磁(EM) 場解算程序可以根據(jù)PCB布局布線中使用的尺寸來預(yù)測結(jié)構(gòu)阻抗。通過重復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行3D仿真，可優(yōu)化過孔尺寸，來實(shí)現(xiàn)所需阻抗和帶寬要求。

3. 設(shè)計(jì)一個(gè)透明的差分過孔

我們曾在之前的帖子中討論過，在實(shí)現(xiàn)差分對時(shí)，線路A與線路B之間必須高度對稱。這些對在同一層內(nèi)走線，如果需要一個(gè)過孔，必須在兩條線路的臨近位置上打孔。由于差分對的兩個(gè)過孔距離很近，兩個(gè)過孔共用的一個(gè)橢圓形隔離盤能夠減少寄生電容，而不是使用兩個(gè)單獨(dú)的隔離盤。接地過孔也被放置在每個(gè)過孔的旁邊，這樣的話，它們就能夠?yàn)锳和B過孔提供接地返回路徑。

圖2顯示的是一個(gè)地-信號-信號-地(GSSG) 差分過孔結(jié)構(gòu)示例。兩個(gè)相鄰過孔間的距離被稱為過孔間距。過孔間距越小，互耦合電容越多。

圖2：使用背面鉆孔的GSSG差分過孔

不要忘記，在傳輸速率超過10Gbps時(shí)，過孔殘樁會嚴(yán)重影響高速信號完整性。幸運(yùn)的是，有一種背面鉆孔PCB制造工藝，此工藝可以在未使用的過孔圓柱上鉆孔。根據(jù)制造工藝公差的不同，背面鉆孔去除了未使用的過孔金屬，并最大限度地將過孔殘樁減少到10mil以下。

3D EM仿真器用來根據(jù)所需的阻抗和帶寬來設(shè)計(jì)差分過孔。這是一個(gè)反復(fù)的過程。此過程重復(fù)地調(diào)整過孔尺寸，并運(yùn)行EM仿真，直到實(shí)現(xiàn)所需的阻抗和帶寬。

4. 如何驗(yàn)證性能

圖2中顯示的差分過孔設(shè)計(jì)已構(gòu)建完畢并經(jīng)測試。測試樣片包括頂層的一對差分線，之后是到內(nèi)部差分線的差分過孔，然后第二對差分過孔再次連接至頂層的球狀引腳柵格陣列封裝(BGA) 接地焊盤。信號路徑的總長度大約為1330mil。我用差分時(shí)域反射儀(TDR) 測得其差分阻抗，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得了帶寬，并用高速示波器測量了數(shù)據(jù)眼圖來了解其對信號的影響。圖3，4，5分別顯示了阻抗、帶寬和眼圖。左圖是使用背面鉆孔時(shí)的測試結(jié)果，而右圖是無背面鉆孔的測試結(jié)果。在圖5中的帶寬波特圖中，我們可以很清楚地看到背面鉆孔對于在數(shù)據(jù)速率大于10Gbps 的情況下實(shí)現(xiàn)高性能是必不可少的。

使用背面鉆孔，ZDIFF大約為85?           無背面鉆孔，ZDIFF大約為58?

圖3：TDR阻抗波特圖

12.5GHz時(shí)的插入損耗大約為3dB         12.5GHz時(shí)的插入損耗大于8dB

圖4：頻率響應(yīng)

使用背面鉆孔時(shí)，數(shù)據(jù)眼是打開的    無背面鉆孔時(shí)，數(shù)據(jù)眼是關(guān)閉的

圖5:25Gbps時(shí)的數(shù)據(jù)眼圖

TI擁有豐富的高速信號調(diào)理集成電路 (IC)產(chǎn)品庫，諸如retimer和redriver。它們有助于減輕和緩解所有類型差分對的缺陷和高插入損耗，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)系統(tǒng)中的可靠數(shù)據(jù)通信并擴(kuò)展傳輸距離。 

iPcb專注于高端PCB電路板研發(fā)生產(chǎn)。產(chǎn)品包括微波高頻電路板、高頻混壓電路板、FR4雙面多層電路板、超高多層電路板、1階到6階HDI電路板、任意階HDI電路板、軟硬（剛撓）結(jié)合電路板、埋盲孔電路板、盲槽電路板、背鉆電路板、IC載板電路板、厚銅電路板等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)4.0、通訊、工控、數(shù)碼、電源、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療、航天、儀器、儀表、軍工、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?？蛻舴植加谥袊箨懠芭_灣、韓國、日本、美國，巴西、印度、俄羅斯、東南亞、歐洲等世界各地。