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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。当遇到了阻抗失配或不连续现象时，一部分信号将被反射回发送端，剩余部分电磁波将继续传输到接收端。信号反射和衰减的程度取决于阻抗不连续的程度。当失配阻抗幅度增加时，更大部分的信号会被反射，接收端观察到的信号衰减或劣化也就更多。0 C2 l* y' X; h; s. W
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连接器(如SMA)处经常会遇到。
" U4 a/ V& I6 D! ]- M 在如图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。( n; E. Z6 j7 i3 Y
' a& B; p4 R, \& {5 R6 N 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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, E/ @# G) b/ ~2 ~9 _7 W 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： I$ P8 K, |1 a9 n% K4 _
条状电容(单位：pF)；. r# ^/ z: \. B
条状电感(单位：nH)；2 k' m- y$ d6 A, M8 t1 U$ Q* c
特征阻抗(单位：Ω)；. }$ K& f) [! v+ B3 c9 |% E
ε=介电常数；
7 V2 m6 }5 s4 b8 N! Q0 T0 C4 R 焊盘宽度；
; H7 ]4 [ z, E 焊盘长度；. ] D/ ^. l" f5 u! ^' S, Q
焊盘和下方参考平面之间的距离；
- n0 j7 X$ q t5 P 焊盘的厚度。
! V. z; s- j. I 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。
; X- c# H; \ ^& p 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。
9 P* v* b' _8 F4 B* T6 R7 @ 分析交流耦合电容的SMT焊盘效应
v( b& c' n3 P 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。( o5 D& @: x; Z3 k; _
" `, _* d- H2 z; n \* [4 A
1 U5 _4 q# t) Y8 f. p% b% y 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)。
( K9 m) Y: }* ?3 N% h 分析B2B连接器的SMT焊盘效应+ K% Y$ ]6 v0 [" C% W* H
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。
* Q/ h5 _; B' z, k" Y0 i9 b0 ~% a% v6 Q+ l
7 O u' H9 g) n. [- t$ ? 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。
8 O7 E9 R$ f. n, U 小结" w7 h- z$ M' ^& b. G9 f) W" r
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。/ a3 W1 p2 i/ Y4 y
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发表于 2022-1-7 11:01
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