差分过孔的结构分析与优化

周子翔

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

差分过孔的结构分析与优化

周子翔

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

摘要针对差分过孔引起的阻抗不连续以及过孔残桩引起的信号反射问题，通过过孔反焊盘补偿设计及端接过孔残桩减小了差分过孔及残桩引起的反射，改善了接收信号的质量。通过对比差分过孔优化设计前后的频域传输参数和时域信号眼图，说明了本方法的有效性及实用性。

关键词差分过孔；残桩；端接阻抗；传输参数

印刷电路板(PCB)作为互联的主要载体，通常是信号完整性问题的多发区域。随着电路设计复杂度的提升，单层PCB已无法满足当今的设计需求，多层PCB设计已成为主流趋势，在多层PCB设计中，位于不同布线层的信号线通常用过孔连接。然而由过孔引起的阻抗不连续及反射严重影响了信号传输质量[2-3]。在传统的制造工艺中，设计人员通过对差分过孔的残桩进行反钻以减小残桩带来的信号完整性问题[4]。但该方法的工艺要求及成本较高。本文在减小信号互联的不连续性的基础上，提出了差分过孔的优化设计，并通过阻抗端接过孔残桩减小其产生的反射。电磁场全波仿真软件HFSS的仿真结果表明，本文提出的优化设计方法能够有效减小差分过孔及其残桩引起的反射，改善信号传输质量，为多层PCB板的设计提供了参考。

1构建模型

本文建立的差分过孔结构如图1所示，图1(a)为模型的顶视图，左下角为坐标原点，图中坐标的单位均为mil(1 mil=0.025 4)；图1(b)为侧视图，各导体层厚度均为1.38 mil。其中，走线、焊盘与残桩所用材料均为铜，除此之外的介质层所用材料均为FR4，相对介电常数ε=4。a层与b层之间定义为信号的发送端Port1，b层与c层之间定义为信号的接收端Port2。

图1　差分过孔模型结构(结构1)

图2　差分过孔的时域仿真波形

对于结构1，在Port1处加一个幅度为0.5 V、上升边为50 ps的差分阶跃信号，且在发送端做好端接匹配。从Port2处观察到的接收端信号如图2所示，由接收波形的振铃可知该差分过孔存在严重的反射[5-6]。针对差分过孔引起的阻抗不匹配，本文提出了差分过孔的优化设计方法，以减小反射，改善传输信号质量。

2过孔反焊盘优化设计

本文提出的反焊盘优化设计方案如图3所示，通过增大差分过孔反焊盘的尺寸改变差分过孔的特性阻抗，减小过孔与信号线间的反射。

图3　差分过孔的优化设计图(结构2)

差分过孔的特性阻抗计算公式如式(1)所示

(1)

其中，Zvia为差分过孔的特性阻抗；Lvia为差分过孔的寄生电感；Cvia为差分过孔的寄生电容，这些参数可由电磁仿真软件Q3D进行提取。该优化设计通过增大反焊盘，进而增加了返回信号的返回路径，使寄生电感Lvia值增大，从而增加差分过孔的特性阻抗，减小差分过孔与差分传输线间的反射，提升差分过孔的传输特性。优化后差分过孔的特性阻抗计算公式如式(2)所示

(2)

其中，Lpur为传输线的单位长度电感；Cpir为传输线的单位长度电容；x是反焊盘的长度，图3中的其余尺寸与图1相同。该优化结构的频域传输参数S21和反射参数S11如图4所示。与图1参数的对比可知，图3差分过孔的传输参数在整个仿真频段内得到显著的改善。由S11可知，图3中过孔与传输线间的反射明显小于图1中的反射。

图4　结构1和结构2的差分传输参数与反射参数

3差分过孔残桩优化设计

从图4中可看出，虽结构2的传输参数在整个仿真频段内相对结构1有改善，但在整个仿真频段内并不是平滑的曲线，在特定频率上产生了谐振。结构2的频域传输参数曲线在11 GHz与14 GHz处发生了谐振。当互联传输线传输相应频率的信号时，接收信号会被严重衰减。该谐振是由差分过孔残桩的全反射引起的[7-8]。

由图1(b)中的结构分析可知，信号从Port1传输向Port2的过程中，当传输到过孔与c层走线的连接处时，由于过孔阻抗和传输线阻抗不匹配，信号在这里会发生反射与透射。一部分透射信号沿着传输线继续传播，另一部分信号被反射沿着传输线向源端传输，而还有一部分信号将沿着残桩传播，并在残桩的终端处发生全发射。反射信号会沿着残桩往回传输，传输到传输线c与过孔的链接处时，一部分信号透射到传输线c中，一部分信号则沿着过孔穿向源端[9]。本文通过对过孔残桩进行阻抗端接，通过吸收过孔残桩传输的信号减小信号在过孔残桩末端的反射，其优化设计如图5所示。

图5　端接阻抗以减小反射

图6为结构2的过孔残桩端接不同的端接阻抗值时，其频域传输参数曲线的变化，端接阻抗值的变化范围是50～150 Ω。以0频率点为准，仿真图形由下至上依次对应50～150 Ω。图中虚线的仿真结果对应的端接阻抗为120 Ω。由图可知，过孔的传输参数随着端接阻抗值的增大而逐渐变得平滑。谐振的峰值则随着阻抗的增大而逐渐减小。从频域曲线可看出，端接阻抗取120～140 Ω时结构2在0～7 GHz频段内均表现出较好的传输特性。

图6　结构2端接不同阻抗时的传输参数

图7所示为当Port1处加频率为4 GHz的伪随机码时，接收端Port2处的接收信号眼图的眼高、眼宽、抖动均方值和上升边时间随端接阻抗的变化。由图可知，眼图的眼高随着端接阻抗值的增加持续增加；眼宽随阻抗值的增加无规则的变化，但变动的值<1 ps；上升边随着端接阻抗值的增加持续增加，说明随着端接阻值的增加，信号的上升边延迟逐渐增大，由信号的抖动均方值随端接阻抗的变化可知，端接阻抗为120 Ω时，抖动均方值最小。虽然端接120 Ω阻抗时的眼高并不是最高的，但此时的眼宽与抖动都表现出了最佳的特性，而眼高可通过在接收端接放大器进行改善。

图7　接收信号眼图的眼高

通过最终得出的眼图可直观的看出结构2的优势。过孔残桩端接阻抗值为120 Ω时，结构2的接收信号的眼图如图8(a)所示，结构1过孔被反钻后的接收信号的眼图如图8(b)所示。由图可知，端接后的过孔接收信号眼图在眼宽、抖动值和信号反射方面均得到了良好的改善。

图8　4 GHz伪随机码仿真眼图

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Analysis and Optimization of Differential Vias

ZHOU Zixiang

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

AbstractTo solve the signal reflection problem which is brought by the impedance discontinuity of differential vias, a new structure of differential vias is proposed. This new structure reduces the signal reflection by compensating the anti-pad of differential vias and terminating the stubs. In this way, the quality of received signal is improved. The effectiveness and the practicability of this method are validated by the comparisons of the transmission parameters in frequency domain and the eye diagram in time domain between initial via structure and the optimized via structure.

Keywordsdifferential vias；stub；terminal impedance；transmission parameters

收稿日期:2015-10-29

作者简介:周子翔(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：电源完整性，高速电路信号完整性。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.029

中图分类号TN41

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-100-04