搞定高频信号传输,这样设计SMT焊盘

发布时间:2024-10-04 11:52:22  
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。一旦阻抗失配或不连续现象,一部分信号被反射回发送端,剩余部分电磁波将继续被传输到接收端。
信号反射和衰减的程 度取 决于阻 抗不 连续的程 度, 关文章: 画PCB板时阻抗设计的重要性 当失配阻抗幅度增加时,更大部分的信号会被反射,接 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 接器(如SMA)处经常会遇 到。
在如下图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。 这种现象可以用下方公式(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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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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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:
  • 条状电容(单位:pF);
  • 条状电感(单位:nH);
  • 特征阻抗(单位:Ω);
  • ε=介电常数;
  • 焊盘宽度;
  • 焊盘长度;
  • 焊盘和下方参考平面之间的距离;
  • 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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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。

小结

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。 在条件允许的情况下,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。信号完整性相关文章 推荐: 信号反射问题与相关电路设计技巧

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