Via Stub 分析完整指南

Via Stub有時(shí)被視為一種煩惱，尤其是當(dāng)您只需要在相鄰層之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)。對(duì)于低速、低層數(shù)、密度較低的電路板，通孔存根是事后的想法，否則可能根本不會(huì)考慮。對(duì)于更快的邊緣速率/更高的頻率，傳統(tǒng)觀點(diǎn)是去除所有過孔存根。問題是：什么才是“高頻”，你如何計(jì)算相關(guān)長度？

為了正確地做到這一點(diǎn)，您需要從電路理論中借用一些工具來理解過孔短截線的電氣功能，并且您需要從傳輸線理論中借用一些元素。事實(shí)證明，就像 PCB 上的常規(guī)走線一樣，電長通孔樁將起到傳輸線的作用。當(dāng)我們考慮在實(shí)際 PCB 中的高 GHz 頻率會(huì)發(fā)生什么時(shí)會(huì)變得更有趣，因?yàn)榧纳鷷?huì)成為問題。因此，為了通過存根正確理解，我們必須從兩個(gè)角度來看待它們：使用電路模型和作為具有傳播波的電長結(jié)構(gòu)。

我將是第一個(gè)告訴您電路模型不能準(zhǔn)確描述真實(shí)設(shè)計(jì)的人之一。電路模型，尤其是 RLC 電路，作為一種可以描述電氣行為的語言非常有用，但不應(yīng)按字面理解電路模型。話雖如此，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^查看通孔的結(jié)構(gòu)、任何附近保持恒定電位的導(dǎo)體（電源/接地層）以及連接到它的傳輸線部分來直觀地創(chuàng)建描述通孔存根的電路模型。

下圖顯示了典型通孔及其短截線、附近焊盤/平面和一些電路元件的圖表，以指示通孔/短截線不同部分的電氣行為。電氣特性由通孔和短截線中的串聯(lián)電感和電阻決定。然而，也有寄生電容返回到其他導(dǎo)體，如電容器符號(hào)所示。

通過電路模型中的存根。通孔及其存根周圍存在寄生電容。這些寄生效應(yīng)會(huì)根據(jù)頻率改變通孔的阻抗。

通孔的電氣描述通常是電感器與一些非零直流電阻串聯(lián)（因此上圖中的串聯(lián)電感器和電阻器符號(hào)）。這意味著過孔的阻抗，包括趨膚效應(yīng)和銅粗糙度，將為：

低頻下的近似通孔阻抗。

在這個(gè)方程中，銅粗糙度系數(shù)K基本上增加了抗趨膚效應(yīng)，并且具有復(fù)雜的光譜；正確模擬銅粗糙度的研究繼續(xù)活躍。基本上，通孔的阻抗可以在足夠低的頻率下建模為電感性。然而，這個(gè)方程只是一個(gè)近似值，因?yàn)橥鬃杩古c分布電容并聯(lián)返回到附近的導(dǎo)體。在高頻下，電容元件變得更加重要，它允許信號(hào)通過電容耦合“滲入”附近的導(dǎo)體。

由于我們具有分布式串聯(lián)電感和直流電阻的分布式并聯(lián)電容，因此真正的過孔阻抗方程與傳輸線的阻抗方程相匹配！因此，通孔和通孔短截線會(huì)產(chǎn)生一些由傳播信號(hào)看到的插入損耗和回波損耗（由 S 參數(shù)定義）。所以現(xiàn)在，為了正確確定合適的短截線長度，我們需要將通孔、通孔短截線和輸入/輸出線視為各種傳輸線部分。

如果您簡單地想一想，就其電氣行為而言，過孔短截線將如何像傳輸線部分一樣工作應(yīng)該是顯而易見的。信號(hào)沿互連的傳播速度是有限的，而這種有限的傳播速度是任何電氣結(jié)構(gòu)中傳輸線行為的基礎(chǔ)。

下圖顯示了如何根據(jù)傳輸線部分的輸入阻抗重新定義過孔、其短截線及其輸入/輸出線。請(qǐng)注意，過孔短截線和主過孔體可能與輸入和輸出線的接地參考不同。在任何情況下，過孔和過孔短截線都會(huì)導(dǎo)致傳播信號(hào)看到一些輸入阻抗，從而看到傳輸線部分。

過孔短截線和傳輸線部分的輸入阻抗。

過孔樁基本上是帶有開路負(fù)載的短傳輸線。因此，通過過孔傳播的信號(hào)將在由開路負(fù)載定義的過孔短截線邊界處看到輸入阻抗；這是通孔短截線長度通常限制在傳播信號(hào)的四分之一波長以下的一個(gè)原因（請(qǐng)注意此處的帶寬定義?。?。

就傳輸線理論而言，這是一個(gè)具有迭代解決方案的復(fù)雜問題；閱讀 Khongdeach 等人的這篇文章。看實(shí)際解決方法。線路 1 末端的輸入阻抗是短線/線路 2 連接處輸入阻抗的函數(shù)。這個(gè)問題的目標(biāo)是確定短截線的臨界長度，使得可見短截線的輸入阻抗非常大（無窮大）。出于這個(gè)原因，每個(gè)人都謹(jǐn)慎行事，并說要?jiǎng)h除高速線路上的所有通孔存根。不幸的是，需要在板上鉆孔的每個(gè)孔都會(huì)增加成本，因此您需要選擇應(yīng)該回鉆哪些短截線以及忽略哪些短截線。

現(xiàn)實(shí)情況是，您不需要完全移除 PCB 中的每個(gè)過孔短截線，您只需要設(shè)置最大短截線長度即可。這可以在您的設(shè)計(jì)規(guī)則中完成。作為粗略的近似值，過孔短截線的長度可以設(shè)置為不超過與信號(hào)帶寬（對(duì)于數(shù)字信號(hào)）或信號(hào)的載波頻率（對(duì)于模擬信號(hào)）相關(guān)聯(lián)的波長的 1/10。同樣，這是一個(gè)粗略的近似值，但以 0.1 mm 的短截線長度為例：此過孔短截線長度適用于高達(dá)大約 150 GHz 的信號(hào)（在典型的 FR4 基板上）。這對(duì)于大多數(shù)高速協(xié)議和商業(yè)毫米波應(yīng)用（例如雷達(dá)或成像）來說已經(jīng)足夠了。

如果您需要設(shè)計(jì)帶有過孔短截線或移除過孔的高速/高頻板，Altium Designer ? 中的布線和布局工具可以輕松設(shè)置過孔截線長度的限制。您可以將限制定義為設(shè)計(jì)規(guī)則，在鉆孔表和制造文件中包含反鉆說明，并準(zhǔn)備所有其他可交付成果以進(jìn)行制造。