在一個高速印刷電路板 （PCB） 中，通孔在降低信號完整性性能方面一直飽受詬病。然而，過孔的使用是不可避免的。在標(biāo)準(zhǔn)的電路板上，元器件被放置在頂層，而差分對的走線在內(nèi)層。內(nèi)層的電磁輻射和對與對之間的串?dāng)_較低。必須使用過孔將電路板平面上的組件與內(nèi)層相連。

　　幸運(yùn)的是，可設(shè)計出一種透明的過孔來最大限度地減少對性能的影響。在這篇博客中，我將討論以下內(nèi)容：

　　過孔的基本元件

　　過孔的電氣屬性

　　一個構(gòu)建透明過孔的方法

　　差分過孔結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

　　1. 過孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識

　　讓我們從檢查簡單過孔中將頂部傳輸線與內(nèi)層相連的元件開始。圖1是顯示過孔結(jié)構(gòu)的3D圖。有四個基本元件：信號過孔、過孔殘樁、過孔焊盤和隔離盤。

　　過孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過孔連接不同層上的傳輸線。過孔殘樁是過孔上未使用的部分。過孔焊盤是圓環(huán)狀墊片，它們將過孔連接至頂部或內(nèi)部傳輸線。隔離盤是每個電源或接地層內(nèi)的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

　　圖1：單個過孔的3D圖

　　2. 過孔元件的電氣屬性

　　如表格1所示，我們來仔細(xì)看一看每個過孔元件的電氣屬性。

　　表1：圖1中顯示的過孔元件的電氣屬性

　　一個簡單過孔是一系列的π型網(wǎng)絡(luò)，它由兩個相鄰層內(nèi)構(gòu)成的電容-電感-電容 （C-L-C） 元件組成。表格2顯示的是過孔尺寸的影響。

　　表2：過孔尺寸的直觀影響

　　通過平衡電感與寄生電容的大小，可以設(shè)計出與傳輸線具有相同特性阻抗的過孔，從而變得不會對電路板運(yùn)行產(chǎn)生特別的影響。還沒有簡單的公式可以在過孔尺寸與C和L元件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3D電磁 （EM） 場解算程序可以根據(jù)PCB布局布線中使用的尺寸來預(yù)測結(jié)構(gòu)阻抗。通過重復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行3D仿真，可優(yōu)化過孔尺寸，來實(shí)現(xiàn)所需阻抗和帶寬要求。

　　3. 設(shè)計一個透明的差分過孔

　　我們曾在之前的帖子中討論過，在實(shí)現(xiàn)差分對時，線路A與線路B之間必須高度對稱。這些對在同一層內(nèi)走線，如果需要一個過孔，必須在兩條線路的臨近位置上打孔。由于差分對的兩個過孔距離很近，兩個過孔共用的一個橢圓形隔離盤能夠減少寄生電容，而不是使用兩個單獨(dú)的隔離盤。接地過孔也被放置在每個過孔的旁邊，這樣的話，它們就能夠?yàn)锳和B過孔提供接地返回路徑。

　　圖2顯示的是一個地-信號-信號-地 （GSSG） 差分過孔結(jié)構(gòu)示例。兩個相鄰過孔間的距離被稱為過孔間距。過孔間距越小，互耦合電容越多。

　　圖2：使用背面鉆孔的GSSG差分過孔

　　不要忘記，在傳輸速率超過10Gbps時，過孔殘樁會嚴(yán)重影響高速信號完整性。幸運(yùn)的是，有一種背面鉆孔PCB制造工藝，此工藝可以在未使用的過孔圓柱上鉆孔。根據(jù)制造工藝公差的不同，背面鉆孔去除了未使用的過孔金屬，并最大限度地將過孔殘樁減少到10mil以下。

　　3D EM仿真器用來根據(jù)所需的阻抗和帶寬來設(shè)計差分過孔。這是一個反復(fù)的過程。此過程重復(fù)地調(diào)整過孔尺寸，并運(yùn)行EM仿真，直到實(shí)現(xiàn)所需的阻抗和帶寬。