高速多层PCB板中过孔的建模、仿真及分析

王永军，王俊鸣

(1.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西西安710071;2.中国人民解放军空军驻无锡地区军事代表室，江苏无锡214063)

当今电路、芯片向着小体积、大功耗、高速度、高性能发展，使得布线的密度更大、空间小，造成了芯片之间、线之间的串扰、PCB板的EMC、EMI越来越大，导致PCB板的性能也更差。由于体积的缩小、频率的提高只能增加PCB板层数量来达到目标。造成不同的板层上存在多个电源地平面、信号线，板层与板层之间的各个线与线、平面与平面之间的连接只能靠过孔来连接［1］。高速电路中，过孔是影响导线上信号质量的重要因素。但多数PCB板在设计时，过孔对信号的影响被忽略，由此提出一些过孔对信号的影响以及改善方式［2］。

1 过孔简介

1.1 过孔的近似电容电感

由于过孔的介入会使得信号的完整性质量下降，如图1所示，是10层PCB板的叠层与过孔刨面结构［3］。过孔都有对地的近似电容

图1 10层PCB板的叠层与过孔刨面结构

其中，D2为平面上的间隙孔的直径;D1为环绕过孔焊盘的直径;T为PCB板的厚度;εr为PCB板的相对介电常数;C为寄生电容;对于电容存在这样的公式成立，使得流经其上的信号的上升沿变差即是滤除了信号的高次谐波，信号的带宽变窄、完整性变差。

1.2 信号经过过孔的流通方式

如图2所示，信号利用过孔从第1层穿过第2、3层转换到第4层，其回路经过平面电容耦合到其临近的电源地平面上，为什么会发生以上的情况?这是因为信号总是选择低阻抗的路径作为其返回回路。信号在回路上会受到由两平面所构成的传输线的瞬态阻抗，自然在流经这个阻抗时会产生压降，这一压降即为地弹。压降越大，地弹的噪声也就越大，如果要解决地弹问题，需使两平面所构成的传输线的瞬态阻抗减小，如图2所示，要减小两平面之间的距离、介质要与屏幕靠的更近或利用电磁带隙结构(EBG)。

图2 信号经过过孔的流程图

过孔在多层PCB中并非孤立的个体，是与其周围的环境相互关联的;他们之间的电磁相互作用方式是通过各个单元之间的耦合电容进行耦合。如图3所示，所以过孔的存在使得信号之间的串扰增大，且又是穿过整个PCB板使得各个参数不容易控制［4］。

图3 过孔周围的耦合电容

2 过孔建模与对流经其上信号的影响

根据过孔的近似值以及其传输特性，在HyperLynx的LineSim中建立的模型如图4所示，电容C和电感L是并联的组合形式;由于过孔的电阻值一般较小，此处忽略［5］。

图4 过孔的建模

结合电路的实际情况和过孔的近似电容、电感公式，选择C=0.6 pF、L=2.0 nH的一组参数值，进行测试过孔对信号的影响。当此种过孔被使用到不同频率的信号传输线时，其对信号的完整性表现出了不同的情况，利用LineSim进行仿真得到的波形如图5所示。其中U(A2)、U(A4)、U(C2)为信号的输入端;U(B2)、U(B4)、U(D2)为信号的接收端;输入信号的上升时间分别为U(A2)=0.3 ns，U(A4)=1 ns，U(C2)=5 ns;信号上升时间为其上升边沿时间的10%～90%［6］。

图5 过孔对不同频率信号的影响波形

如图5所示信号经过过孔之后，信号的完整性变差、发生了信号的反射、过冲、下冲、振铃、抖动和幅度噪声等现象;由于幅度噪声使得原本在一定的门限阈值的高“1”、低“0”电平发生了变化，高低电平出现混乱使晶体管开关不能按正常的模式开启和关闭;同样抖动使得信号的采样点发生了错移位现象，最终引起比特流误码，严重影响整个PCB系统的性能，因此，需要改进。

3 工程实例

以下为连接到50Ω线上的过孔的分析和改进方法，利用HyerLynx对连接在50Ω线上的过孔进行建模如图6所示。

图6 50Ω的传输线上的过孔建模

其中输入端U(A0)和接收端U(D0)的上升时间都为0.3 ns，电容C=0.6 pF、电感L=2.0 nH，过孔两端是50Ω的传输线。在LineSim中仿真可得到的结果如图7所示，出现了信号不完整性的各种情况，这是由于传输线上的两端特性阻抗不匹配而造成的信号来回反射。负载反射系数公式

其中，ZL为负载的阻抗;Z0为传输线上的阻抗;这里过孔可以看作为一个负载。

图7 过孔对50Ω传输线上的信号影响仿真波形

使用HyperLynx中的终端匹配设计工具，即根据Zr=Z0－ZL，可得在此上升时间条件下终端匹配阻抗为45.5Ω。建立如图8所示的过孔前端添加匹配电阻电路和如图10所示的过孔两端阻抗匹配电路，对应的仿真结果分别为图9和图11所示。

图8 过孔前端添加匹配电阻电路

图9 过孔前端添加匹配电阻电路的仿真结果

图10 过孔两端都进行阻抗匹配电路

图11 过孔两端都匹配后的仿真波形

由图9～图11可得，对过孔电路进行阻抗匹配时，要对其前后两端都进行匹配分析和改进。同样对像过孔这样连接方式的电路，在要求线上信号完整性高的情况下，使用这样的匹配方式进行改良、优化电路。比如在50Ω的传输线上添加了一个40Ω的电阻。

4 结束语

过孔在不同的信号频率下表现出不同的性能，在设计和使用过孔时要结合具体情况合理规划过孔，对其处理决定了PCB板性能的优劣。特别是运行速度大于GHz的高速PCB中，对过孔的处理不当而造成的幅度噪声和抖动会影响整个系统的正常工作，并出现无法工作的情况。从而造成整个项目工作时间和经济浪费。合理地利用过孔可以改善系统信号和电源的完整性，如电源滤波，隔离信号线之间的串扰、电磁带隙(EMG)等。在PCB中，过孔无处不在，虽然其微小但却是影响、制约高速PCB的关键因素。

［1］ERIC B.Signal integrity:simplified［M］.England NJ:Prentice Hall PTR，2004.

［2］JOHNSON H，GRAHAM M.High－speed signal propagation:advanced black magic［M］.England NJ:Prentice Hall，2003.

［3］ERIC B.Signal and power integrity－simplified［M］.England NJ:Prentice Hall，2010.

［4］HOWARD J，MARTIN G.High－speed digital design:a handbook of black magic［M］.England NJ:Prentice Hall，1993.

［5］MIKE P L.Jitter，noise，and signal integrity at high－speed［M］.England NJ:Prentice Hall，2008.

［6］ 陈伟，黄秋元，周鹏.高速电路信号完整性分析与设计［M］.北京:电子工业出版社，2009.