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        深度揭秘信號孔旁邊到底需要幾個地過孔

        已有 79 次閱讀2021-11-18 17:45 |系統分類:芯片設計| 一博PCB設計, 損耗, 地過孔, 回流, 電感

        作者:一博科技高速先生自媒體成員 黃剛

        大家估計知道一對高速信號孔旁邊需要加地過孔,但是要加多少個呢?相信廣大粉絲們心里是沒底的,別急!高速先生今天幫大家量化出來哈。
         
        我們知道,過孔是高速鏈路中比較難設計和量化的一個結構,它有很多變量都能或多或少影響著過孔的阻抗和損耗,例如下圖一樣。過孔的孔徑、過孔的焊盤、過孔的反焊盤、過孔的殘樁甚至包括平面的數量這些都是影響的因素。

        甚至有一些簡單的計算軟件也會把這些變量的影響量化出來,從而根據這些變量計算出一個過孔的阻抗。感覺在缺少仿真的情況下也能大概得到過孔的阻抗了!


        的確,有一些軟件能大概量化出單個過孔的阻抗。但是如果是下面的差分過孔呢?除了單端過孔的影響因素外,還有差分過孔本身的一些影響因素,例如信號過孔間的距離,還有就是今天要說的差分過孔旁邊的地過孔!



        回到開頭的問題,大家肯定知道一對差分過孔旁邊需要加地過孔,原因是什么呢?很多朋友們會回答說是回流,提供回流路徑。當然這是對的,那會不會有很多朋友就覺得我只要有一個地過孔就ok了,地過孔的多少對過孔的阻抗又不會有太大的影響。事實真的是這樣嗎?高速先生今天就給大家用測試數據的方式量化出來!

        為了驗證地過孔數量不同對這個差分過孔的影響,我們特意做了一組不同case的過孔,分別是1個過孔,2個過孔,3個過孔,4個過孔,他們到信號過孔的距離保持一致,設計如下所示:

        然后我們就靜靜等待這塊測試板的完成,完成后高速先生第一時間進行了測試,這個測試結果估計對于大家來說既在意料之中又在意料之外!
         
        首先我們來看看過孔的回波損耗,它很大程度上表征了過孔的阻抗和反射問題,從回波損耗的結果來看,估計和大多數朋友的想法是一樣的,就是地過孔的數量不怎么會影響過孔的阻抗,因此我們能看到回波損耗在40GHz這種超高頻下的差異都不大!

        那是不是就是沒有影響呢?別急,我們還有另外一個很重要的指標,那就是插入損耗,也就是我們經常說的損耗。要是這個指標也沒有差異,那才能說地過孔數量對信號過孔沒啥影響哈!
         
        最出人意料的結果來了,我們看看插入損耗的結果,還是發現有非常大的差異。

        我們能看到隨著地過孔數量的增加,損耗在高頻越來越線性,相反地過孔數量較小,尤其是只有一個地過孔的時候,在高頻的惡化程度明顯增加,為什么會這樣呢,怎么解釋?
         
        我們可以通過兩個技術角度去解釋,一是從回流路徑的角度,我們知道地過孔是信號孔的主要回流路徑,過孔是有它本身的寄生電感的,隨著地過孔數量的增加,寄生電感呈一個并聯的結構,因此總的回路電感會減小,電感小了,高頻的阻抗就會降低,因此回流路徑阻抗降低,損耗變小。另外我們還可以從包裹能量的角度來看,為什么同軸線纜的屏蔽效果好,因為它的外徑是全部通過地來包住的,因此能量不會散失出去,通過這個角度,過孔和地過孔也是這個原理,地過孔越多,包得越密,高頻能量自然就能保留得很多,因此高頻的損耗就變小了。
         

        那回到我們PCB設計工程師這邊,如果我們要通過差分過孔來傳輸高速信號,我們會在差分過孔旁邊加幾個地過孔呢?我們作為本期文章的問題來問問朋友們哈!



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