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改善高頻信號傳輸中的SMT焊盤設計

2015年04月22日  | Chang Fei Yee

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在高頻領域,信號或電磁波必須沿著具有均勻特徵阻抗的傳輸路徑傳播。當遇到阻抗失配或不連續時,信號的一部分將被反射回發送端,而其餘剩下的電磁波將繼續傳輸到接收端。信號反射和衰減的嚴重程度取決於阻抗不連續性的程度。當失配的阻抗幅度增加時,就會有更多的信號反射回來,接收端觀察到的信號也就具有更多的衰減或劣化。


阻抗失配現象在交流耦合(所謂的直流阻隔)電容、板到板連接器以及電纜到板連接器(如SMA)的SMT焊盤處經常會遇到。


在如圖1所示的交流耦合電容SMT焊盤案例中,沿著具有100Ω差分阻抗和5mil銅寬度的PCB走線傳播的信號在到達具有更寬銅箔(如0603封裝是30mil寬)的SMT焊盤時將遇到阻抗不連續性。這種現象可以用 公式(2) (1) 解釋。銅的橫截面積或寬度的增加將增大條狀電容(strip capacitance),進而給傳輸通道的特徵阻抗帶來電容不連續性(即負的浪湧)。


為了儘量減小電容的不連續性,需要裁剪掉位於SMT焊盤正下方的參考平面區域(reference plane area),並在內層建構覆銅,分別如圖2圖3所示。這樣可以增加SMT焊盤與其參考平面或返回路徑之間的距離,從而減小電容的不連續性。同時應插入微型縫合過孔,用於在原始參考平面和內部新的參考銅之間提供電氣和物理連接,並建立正確的信號返回路徑,從而避免EMI輻射問題。


然而,距離d不能增加得太大,因為太大將使條狀電感超過條狀電容並引起電感不連續性,見公式(3)的解釋。


圖1:沒有裁剪過參考平面的PCB側視圖。
圖1:沒有裁剪過參考平面的PCB側視圖。

圖2:裁剪過參考平面的PCB側視圖。
圖2:裁剪過參考平面的PCB側視圖。


圖3:裁剪過參考平面的PCB俯視圖。
圖3:裁剪過參考平面的PCB俯視圖。

公式


其中:

C = 條狀電容(單位為 pF)

L = 條狀電感 (單位為 nH)

Zo = 特徵阻抗 (單位為Ω)

ε = 介電常數

w = SMT焊盤寬度

l = SMT焊盤長度

d = SMT焊盤和下方參考平面之間的距離

t = STM焊盤的厚度

相同概念可以應用於板到板(B2B)和電纜到板(C2B)連接器的SMT焊盤,分別如圖4圖5所示。


圖4:B2B連接器。
圖4:B2B連接器。

圖5:C2B連接器。
圖5:C2B連接器。

下面將通過TDR和插入損耗分析(insertion loss)完成上述概念的驗證。此一分析是通過在EMPro軟體中建立STM焊盤3D模型,然後導入Keysight ADS中進行TDR和插入損耗模擬完成的。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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