高速信號添加回流地過孔究竟有沒有用？

PCB工程師注意啦：通常pcb上的打過孔換層會引起鏡像平面的非連續(xù)性，這就會導致信號的最佳回流途徑被破壞。

我們都知道，信號打孔換層會改變信號的回流路徑，如果信號換層，回流路徑也跟著換層，但是在信號換層處過孔不能將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。

如下圖所示，描述了信號打孔換層的幾種情況：

a、信號線換層，回流路徑也從GND換到VCC上去了；

b、信號線換層，但參考面沒改變，回流路徑?jīng)]有換層；

c、信號線換層，回流路徑也換層，但只是從一個GND平面換到另一個平面；

a、c兩種情況如果不能在信號換層過孔處將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。

針對以上換層引起的回路問題其解決方法如下：

a、需要在過孔附近放置旁路電容將VCC與GND連接起來，以給回路提供一個低阻抗通路；

b、建議高速信號線及時鐘線采用此種換層方式；

c、需在換層過孔附近放置地過孔將GND與GND連接起來，以給回路就近提供一個通道。

所以我們經(jīng)?？梢钥吹揭恍┙?jīng)驗豐富的PCB設(shè)計師在處理高速信號打孔換層的時候，在信號孔附近添加回流地孔，如下圖所示。

包括一些高速連接器在設(shè)計的時候其高速信號管腳兩邊也是地管腳如下圖所示。

給傳輸線上的信號過孔配置相鄰的接地過孔，主要有兩個好處：

一是給信號過孔承載的信號提供良好的信號回流通路；

二是通過接地過孔消除信號之間的電磁場輻射。

實驗證明：信號回流通路對于信號的阻抗影響比較大。通過在傳輸線及其過孔附近添加接地過孔的方式，可以有效地降低了阻抗的不連續(xù)性，從而改善因阻抗不連續(xù)導致的反射現(xiàn)象，進而引發(fā)EMC問題。在傳輸線信號的過孔周圍加載接地過孔，原則上是數(shù)量越多越好、距離信號過孔越近越好。

回流地孔不僅能改善信號的EMC和回流通道，還能改善過孔的阻抗，降低鏈路阻抗的不連續(xù)性。高速差分過孔三維電磁仿真的過孔模型，其中就包含了回流地孔，如下圖所示。

對單端過孔過孔的其他參數(shù)及仿真參數(shù)設(shè)置如下表所示。

單端過孔仿真的三維結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

（1）接地過孔數(shù)量的多少對信號傳輸質(zhì)量影響

接地過孔的數(shù)量是不是越多越好呢？在一定頻率的信號傳輸通路，幾個接地過孔就足夠了呢？為了弄清楚這些問題，需要對接地過孔的數(shù)量進行仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。

從上圖中S11曲線可以看出：5.2GHz是一個分界點，對于5.2GHz以上的信號過孔附近加載4個接地過孔，過孔的反射損耗會明顯降低?？梢姡虞d接地過孔的方式能夠有效地降低高頻信號的阻抗不連續(xù)性。

（2）接地過孔孔徑大小對信號傳輸質(zhì)量影響

為了明確接地過孔孔徑大小對信號傳輸質(zhì)量的影響，進行的仿真結(jié)果如下圖所示。

仿真接地過孔孔徑對信號的影響，可以發(fā)現(xiàn)：當接地過孔孔徑與信號過孔一樣均為10mil時，反射損耗減小非常明顯；隨著接地過孔孔徑的進一步增大，信號的傳輸衰減呈遞減趨勢，但是趨勢逐漸變緩。建議接地過孔的相關(guān)參數(shù)與其相鄰的信號過孔一致。

這有兩個好處：一是保證了信號的有效傳輸；二是減少鉆孔的種類，從而提高制板生產(chǎn)的工作效率。

（3）接地過孔距離遠近對信號傳輸質(zhì)量的影響

接地過孔與信號過孔的間距從25mil到75mil之間變化時，對信號傳輸質(zhì)量影響的仿真結(jié)果如下圖所示。

通過仿真可以看出：接地過孔與信號過孔的間距對過孔傳輸衰減的作用不明顯?？紤]到信號從接地過孔處回流，可根據(jù)實際情況在距離信號過孔盡量近的位置放置接地過孔，以便實現(xiàn)回流路徑的最小化。

編輯：jq