如何解决PCB阻抗不连续问题

时间：2022-05-30作者：深圳市造物工场科技有限公司浏览：131

作为PCB设计工程师，大家都知道阻抗要连续。PCB设计也总有阻抗不能连续的时候，这时候该怎么办呢？




关于阻抗

先来澄清几个概念，我们经常会看到阻抗、特性阻抗、瞬时阻抗。严格来讲，他们是有区别的，但是万变不离其宗，它们仍然是阻抗的基本定义：




1、将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗；

2、将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗；

3、如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗。


特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗，这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。


如果没有特殊说明，一般用特性阻抗来统称传输线阻抗。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。




 

什么是阻抗连续

阻抗连续类似：水在一条均匀的水沟里稳定的流动，突然水沟来个转折并且加宽了。那么水在拐弯的地方就会晃动，并且产生水波传播。这就是阻抗不匹配导致的结果。




阻抗不连续解决方案




01 渐变线

一些RF器件封装较小，SMD焊盘宽度可能小至12mils，而RF信号线宽可能达50mils以上，要用渐变线，禁止线宽突变。渐变线如图所示，过渡部分的线不宜太长。







 




02 拐角

RF信号线如果走直角，拐角处的有效线宽会增大，阻抗不连续，引起信号反射。为了减小不连续性，要对拐角进行处理，有两种方法：切角和圆角。圆弧角的半径应足够大，一般来说，要保证：R>3W。如下图所示。




 

03 大焊盘

当50欧细微带线上有大焊盘时，大焊盘相当于分布电容，破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善：首先将微带线介质变厚，其次将焊盘下方的地平面挖空，都能减小焊盘的分布电容。如下图。




 




04 过孔

过孔是镀在电路板**层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至**部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。




 

过孔的寄生参数

若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如下图所示。







过孔的等效电路模型

从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：




 




过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。


同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。


它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于：




 








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