Via Stub 分析完整指南

Via Stub有時(shí)被視為一種煩惱，尤其是當您只需要在相鄰層之間進(jìn)行轉換時(shí)。對于低速、低層數、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。對于更快的邊緣速率/更高的頻率，傳統觀(guān)點(diǎn)是去除所有過(guò)孔存根。問(wèn)題是：什么才是“高頻”，你如何計算相關(guān)長(cháng)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(lái)理解過(guò)孔短截線(xiàn)的電氣功能，并且您需要從傳輸線(xiàn)理論中借用一些元素。事實(shí)證明，就像 PCB 上的常規走線(xiàn)一樣，電長(cháng)通孔樁將起到傳輸線(xiàn)的作用。當我們考慮在實(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，因為寄生會(huì )成為問(wèn)題。因此，為了通過(guò)存根正確理解，我們必須從兩個(gè)角度來(lái)看待它們：使用電路模型和作為具有傳播波的電長(cháng)結構。

我將是第一個(gè)告訴您電路模型不能準確描述真實(shí)設計的人之一。電路模型，尤其是 RLC 電路，作為一種可以描述電氣行為的語(yǔ)言非常有用，但不應按字面理解電路模型。話(huà)雖如此，我們仍然可以通過(guò)查看通孔的結構、任何附近保持恒定電位的導體（電源/接地層）以及連接到它的傳輸線(xiàn)部分來(lái)直觀(guān)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(xiàn)、附近焊盤(pán)/平面和一些電路元件的圖表，以指示通孔/短截線(xiàn)不同部分的電氣行為。電氣特性由通孔和短截線(xiàn)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體，如電容器符號所示。

通過(guò)電路模型中的存根。通孔及其存根周?chē)嬖诩纳娙?。這些寄生效應會(huì )根據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）。這意味著(zhù)過(guò)孔的阻抗，包括趨膚效應和銅粗糙度，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K基本上增加了抗趨膚效應，并且具有復雜的光譜；正確模擬銅粗糙度的研究繼續活躍?；旧?，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，因為通孔阻抗與分布電容并聯(lián)返回到附近的導體。在高頻下，電容元件變得更加重要，它允許信號通過(guò)電容耦合“滲入”附近的導體。

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(guò)孔阻抗方程與傳輸線(xiàn)的阻抗方程相匹配！因此，通孔和通孔短截線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生一些由傳播信號看到的插入損耗和回波損耗（由 S 參數定義）。所以現在，為了正確確定合適的短截線(xiàn)長(cháng)度，我們需要將通孔、通孔短截線(xiàn)和輸入/輸出線(xiàn)視為各種傳輸線(xiàn)部分。

如果您簡(jiǎn)單地想一想，就其電氣行為而言，過(guò)孔短截線(xiàn)將如何像傳輸線(xiàn)部分一樣工作應該是顯而易見(jiàn)的。信號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構中傳輸線(xiàn)行為的基礎。

下圖顯示了如何根據傳輸線(xiàn)部分的輸入阻抗重新定義過(guò)孔、其短截線(xiàn)及其輸入/輸出線(xiàn)。請注意，過(guò)孔短截線(xiàn)和主過(guò)孔體可能與輸入和輸出線(xiàn)的接地參考不同。在任何情況下，過(guò)孔和過(guò)孔短截線(xiàn)都會(huì )導致傳播信號看到一些輸入阻抗，從而看到傳輸線(xiàn)部分。

過(guò)孔短截線(xiàn)和傳輸線(xiàn)部分的輸入阻抗。

過(guò)孔樁基本上是帶有開(kāi)路負載的短傳輸線(xiàn)。因此，通過(guò)過(guò)孔傳播的信號將在由開(kāi)路負載定義的過(guò)孔短截線(xiàn)邊界處看到輸入阻抗；這是通孔短截線(xiàn)長(cháng)度通常限制在傳播信號的四分之一波長(cháng)以下的一個(gè)原因（請注意此處的帶寬定義?。?。

就傳輸線(xiàn)理論而言，這是一個(gè)具有迭代解決方案的復雜問(wèn)題；閱讀 Khongdeach 等人的這篇文章?？磳?shí)際解決方法。線(xiàn)路 1 末端的輸入阻抗是短線(xiàn)/線(xiàn)路 2 連接處輸入阻抗的函數。這個(gè)問(wèn)題的目標是確定短截線(xiàn)的臨界長(cháng)度，使得可見(jiàn)短截線(xiàn)的輸入阻抗非常大（無(wú)窮大）。出于這個(gè)原因，每個(gè)人都謹慎行事，并說(shuō)要刪除高速線(xiàn)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，因此您需要選擇應該回鉆哪些短截線(xiàn)以及忽略哪些短截線(xiàn)。

現實(shí)情況是，您不需要完全移除 PCB 中的每個(gè)過(guò)孔短截線(xiàn)，您只需要設置最大短截線(xiàn)長(cháng)度即可。這可以在您的設計規則中完成。作為粗略的近似值，過(guò)孔短截線(xiàn)的長(cháng)度可以設置為不超過(guò)與信號帶寬（對于數字信號）或信號的載波頻率（對于模擬信號）相關(guān)聯(lián)的波長(cháng)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(xiàn)長(cháng)度為例：此過(guò)孔短截線(xiàn)長(cháng)度適用于高達大約 150 GHz 的信號（在典型的 FR4 基板上）。這對于大多數高速協(xié)議和商業(yè)毫米波應用（例如雷達或成像）來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

如果您需要設計帶有過(guò)孔短截線(xiàn)或移除過(guò)孔的高速/高頻板，Altium Designer ? 中的布線(xiàn)和布局工具可以輕松設置過(guò)孔截線(xiàn)長(cháng)度的限制。您可以將限制定義為設計規則，在鉆孔表和制造文件中包含反鉆說(shuō)明，并準備所有其他可交付成果以進(jìn)行制造。