深度揭秘信号孔旁边到底需要几个地过孔

来源:一博自媒体 时间:2021-11-15 类别:微信自媒体

公众号:高速先生
作者:黄刚

大家估计知道一对高速信号孔旁边需要加地过孔,但是要加多少个呢?相信广大粉丝们心里是没底的,别急!高速先生今天帮大家量化出来哈。
 
我们知道,过孔是高速链路中比较难设计和量化的一个结构,它有很多变量都能或多或少影响着过孔的阻抗和损耗,例如下图一样。过孔的孔径、过孔的焊盘、过孔的反焊盘、过孔的残桩甚至包括平面的数量这些都是影响的因素。

甚至有一些简单的计算软件也会把这些变量的影响量化出来,从而根据这些变量计算出一个过孔的阻抗。感觉在缺少仿真的情况下也能大概得到过孔的阻抗了!

的确,有一些软件能大概量化出单个过孔的阻抗。但是如果是下面的差分过孔呢?除了单端过孔的影响因素外,还有差分过孔本身的一些影响因素,例如信号过孔间的距离,还有就是今天要说的差分过孔旁边的地过孔!


回到开头的问题,大家肯定知道一对差分过孔旁边需要加地过孔,原因是什么呢?很多朋友们会回答说是回流,提供回流路径。当然这是对的,那会不会有很多朋友就觉得我只要有一个地过孔就ok了,地过孔的多少对过孔的阻抗又不会有太大的影响。事实真的是这样吗?高速先生今天就给大家用测试数据的方式量化出来!

为了验证地过孔数量不同对这个差分过孔的影响,我们特意做了一组不同case的过孔,分别是1个过孔,2个过孔,3个过孔,4个过孔,他们到信号过孔的距离保持一致,设计如下所示:
然后我们就静静等待这块测试板的完成,完成后高速先生第一时间进行了测试,这个测试结果估计对于大家来说既在意料之中又在意料之外!
 
首先我们来看看过孔的回波损耗,它很大程度上表征了过孔的阻抗和反射问题,从回波损耗的结果来看,估计和大多数朋友的想法是一样的,就是地过孔的数量不怎么会影响过孔的阻抗,因此我们能看到回波损耗在40GHz这种超高频下的差异都不大!
那是不是就是没有影响呢?别急,我们还有另外一个很重要的指标,那就是插入损耗,也就是我们经常说的损耗。要是这个指标也没有差异,那才能说地过孔数量对信号过孔没啥影响哈!
 
最出人意料的结果来了,我们看看插入损耗的结果,还是发现有非常大的差异。
我们能看到随着地过孔数量的增加,损耗在高频越来越线性,相反地过孔数量较小,尤其是只有一个地过孔的时候,在高频的恶化程度明显增加,为什么会这样呢,怎么解释?
 
我们可以通过两个技术角度去解释,一是从回流路径的角度,我们知道地过孔是信号孔的主要回流路径,过孔是有它本身的寄生电感的,随着地过孔数量的增加,寄生电感呈一个并联的结构,因此总的回路电感会减小,电感小了,高频的阻抗就会降低,因此回流路径阻抗降低,损耗变小。另外我们还可以从包裹能量的角度来看,为什么同轴线缆的屏蔽效果好,因为它的外径是全部通过地来包住的,因此能量不会散失出去,通过这个角度,过孔和地过孔也是这个原理,地过孔越多,包得越密,高频能量自然就能保留得很多,因此高频的损耗就变小了。
 

那回到我们PCB设计工程师这边,如果我们要通过差分过孔来传输高速信号,我们会在差分过孔旁边加几个地过孔呢?我们作为本期文章的问题来问问朋友们哈!


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