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改进高频信号传输中的SMT焊盘设计

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改进高频信号传输中的SMT焊盘设计
2020-11-17 16:21 84

在高频领域,信号或电磁波必须沿着具有均匀特征阻抗的传输路径传播。当遇到了阻抗失配或不连续现象时,一部分信号将被反射回发送端,剩余部分电磁波将继续传输到接收端。


信号反射和衰减的程度取决于阻抗不连续的程度。当失配阻抗幅度增加时,更大部分的信号会被反射,接收端观察到的信号衰减或劣化也就更多。


阻抗失配现象在交流耦合(又称隔直)电容的SMT焊盘、板到板连接器以及电缆到板连接器(如SMA)处经常会遇到。


在如图1所示的交流耦合电容SMT焊盘的案例中,沿着具有100Ω差分阻抗和5mil铜箔宽度的PCB走线传播的信号,在到达具有更宽铜箔(如0603封装的30mil宽)的SMT焊盘时将遇到阻抗不连续性。



这种现象可以用式(1)和式(2)解释。铜箔的横截面积或宽度的增加将增大条状电容,进而给传输通道的特征阻抗带来电容不连续性,即负的浪涌。


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  图1 没有裁剪过参考平面的PCB侧视图

  

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 图2 裁剪过参考平面的PCB侧视图


为了尽量减小电容的不连续性,需要裁剪掉位于SMT焊盘正下方的参考平面区域,并在内层创建铜填充,分别如图2和图3所示。


这样可以增加SMT焊盘与其参考平面或返回路径之间的距离,从而减小电容的不连续性。



同时应插入微型缝合过孔,用于在原始参考平面和内层新参考铜箔之间提供电气和物理连接,以建立正确的信号返回路径,避免EMI辐射问题。


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 图3 裁剪过参考平面的PCB顶视图

  

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但是,距离“d”不应增加得太大,否则将使条状电感超过条状电容并引起电感不连续性。式中:


C =条状电容(单位:pF);

L =条状电感(单位:nH);

Zo =特征阻抗(单位:Ω);

ε=介电常数;

w =SMT焊盘宽度;

l =SMT焊盘长度;

d =SMT焊盘和下方参考平面之间的距离;

t =SMT焊盘的厚度。


相同概念也可以应用于板到板(B2B)和电缆到板(C2B)连接器的SMT焊盘。


下面将通过TDR和插损分析完成上述概念的验证。分析是通过在EMPro软件中建立SMT焊盘3D模型,然后导入Keysight ADS中进行TDR和插损仿真完成的。


分析交流耦合电容的SMT焊盘效应

在EMPro中建立一个具有中等损耗基板的SMT的3D模型,其中一对微带差分走线长2英寸、宽5mil,采用单端模式,与其参考平面距离3.5mil,这对走线从30mil宽SMT焊盘的一端进入,并从另一端引出。  


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 图4 交流耦合电容的SMT焊盘效应:仿真得到的TRD图

  

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 图5 交流耦合电容的SMT焊盘效应:仿真得到的插损图


图4和图5分别显示了仿真得到的TDR和插损图。参考平面没有裁剪的SMT设计造成的阻抗失配是12Ω,插损在20GHz时为-6.5dB一旦对SMT焊盘下方的参考平面区域进行了裁剪(其中“d”设为10mil),失配阻抗就可以减小到2Ω,20GHz时的插损减小到-3dB。进一步增加“d”会导致条状电感超过电容,从而引起电感不连续性,转而使插损变差(即-4.5dB)。


分析B2B连接器的SMT焊盘效应

在EMPro中建立一个B2B连接器的SMT焊盘的3D模型,其中连接器引脚间距是20mil,引脚宽度是6mil,焊盘连接到一对长5英寸、宽5mil,采用单端模式的微带差分走线,走线距其参考平面3.5mil。SMT焊盘的厚度是40mil,包括连接器引脚和焊锡在内的这个厚度几乎是微带PCB走线厚度的40倍。  


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 图6 B2B连接器的SMT焊盘效应:仿真得到的TDR图

  

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 图7 B2B连接器的SMT焊盘效应:仿真得到的插损图


铜厚度的增加将导致电容的不连续性和更高的信号衰减。这种现象可以分别由图6和图7所示的TDR和插损仿真图中看出来。通过裁剪掉SMT焊盘正下方适当间距“d”(即7mil)的铜区域,可以最大限度地减小阻抗失配。


总结

本文的分析证明,裁剪掉SMT焊盘正下方的参考平面区域可以减小阻抗失配,增加传输线的带宽


SMT焊盘与内部参考铜箔之间的距离取决于SMT焊盘的宽度以及包括连接器引脚和焊锡在内的SMT焊盘有效厚度。在PCB投产之前应先进行3D建模和仿真,确保构建的传输通道具有良好的信号完整性。

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