【導(dǎo)讀】信號(hào)或電磁波在高頻領(lǐng)域必須沿著均勻特征阻抗的傳輸途徑進(jìn)行傳播。但是，一但遇到阻抗失配或不連續(xù)的現(xiàn)象，就會(huì)有一部分信號(hào)被反射回發(fā)送端，剩余部分電磁波則會(huì)繼續(xù)傳輸?shù)浇邮斩?。本文主要講解的就是在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何改進(jìn)高頻信號(hào)傳輸中的SMT焊盤(pán)的設(shè)計(jì)。
信號(hào)反射和衰減的程度取決于阻抗不連續(xù)的程度。當(dāng)失配阻抗幅度增加時(shí)，更大部分的信號(hào)會(huì)被反射，接收端觀(guān)察到的信號(hào)衰減或劣化也就更多。
阻抗失配現(xiàn)象在交流耦合(又稱(chēng)隔直)電容的SMT焊盤(pán)、板到板連接器以及電纜到板連接器(如SMA)處經(jīng)常會(huì)遇到。
在如圖1所示的交流耦合電容SMT焊盤(pán)的案例中，沿著具有100Ω差分阻抗和5mil銅箔寬度的PCB走線(xiàn)傳播的信號(hào)，在到達(dá)具有更寬銅箔(如0603封裝的30mil寬)的SMT焊盤(pán)時(shí)將遇到阻抗不連續(xù)性。這種現(xiàn)象可以用式(1)和式(2)解釋。銅箔的橫截面積或?qū)挾鹊脑黾訉⒃龃髼l狀電容，進(jìn)而給傳輸通道的特征阻抗帶來(lái)電容不連續(xù)性，即負(fù)的浪涌。
C =條狀電容(單位：pF)；
L =條狀電感(單位：nH)；
Zo =特征阻抗(單位：Ω)；
ε=介電常數(shù)；
w =SMT焊盤(pán)寬度；
l =SMT焊盤(pán)長(zhǎng)度；
d =SMT焊盤(pán)和下方參考平面之間的距離；
t =SMT焊盤(pán)的厚度。
相同概念也可以應(yīng)用于板到板(B2B)和電纜到板(C2B)連接器的SMT焊盤(pán)。
下面將通過(guò)TDR和插損分析完成上述概念的驗(yàn)證。分析是通過(guò)在EMPro軟件中建立SMT 焊盤(pán)3D 模型， 然后導(dǎo)入Keysight ADS中進(jìn)行TDR和插損仿真完成的。
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分析交流耦合電容的SMT焊盤(pán)效應(yīng)
在EMPro中建立一個(gè)具有中等損耗基板的SMT的3D模型，其中一對(duì)微帶差分走線(xiàn)長(zhǎng)2英寸、寬5mil，采用單端模式，與其參考平面距離3.5mil，這對(duì)走線(xiàn)從30mil寬SMT焊盤(pán)的一端進(jìn)入，并從另一端引出。
分析B2B連接器的SMT焊盤(pán)效應(yīng)
在EMPro中建立一個(gè)B2B連接器的SMT焊盤(pán)的3D模型，其中連接器引腳間距是20mil，引腳寬度是6mil，焊盤(pán)連接到一對(duì)長(zhǎng)5英寸、寬5mil，采用單端模式的微帶差分走線(xiàn)，走線(xiàn)距其參考平面3.5mil。SMT焊盤(pán)的厚度是40mil，包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的這個(gè)厚度幾乎是微帶PCB走線(xiàn)厚度的40倍。
結(jié)語(yǔ)
本文的分析證明，裁剪掉SMT焊盤(pán)正下方的參考平面區(qū)域可以減小阻抗失配，增加傳輸線(xiàn)的帶寬。SMT焊盤(pán)與內(nèi)部參考銅箔之間的距離取決于SMT焊盤(pán)的寬度以及包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的SMT焊盤(pán)有效厚度。在PCB投產(chǎn)之前應(yīng)先進(jìn)行3D建模和仿真，確保構(gòu)建的傳輸通道具有良好的信號(hào)完整性。
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