CN1901366A - 差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配方法，包括如下步骤：利用差分过孔的互感公式和互容公式得出差分阻抗公式；由差分导线阻抗和差分过孔阻抗相等得到两过孔中心的距离和过孔半径的关系；仿真出差分过孔阻抗，并将其与差分导线阻抗进行比较，不断调整两过孔中心的距离和过孔半径的值，得出两阻抗匹配时的两过孔中心的距离和过孔半径的值；通过两过孔中心的距离和过孔半径的值确定出差分过孔的结构。利用本方法使得匹配后的差分过孔信号由差分传输线经由差分过孔时，信号的反射就会降低，信号传输的质量就会提高。

Description

差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法

【技术领域】

本发明涉及一种差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法。

【背景技术】

随着数据通信速度的提高，信号完整性对于数据传输的顺利进行至关重要。因此，信号完整性已经成为印刷电路板(Printed CircuitBoard，PCB)设计必须考量的因素之一。元器件和PCB的参数、元器件在PCB上的布局等因素，都会影响到信号的完整性，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作。如何在PCB的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已经成为当今PCB设计业界中的一个热门课题。对于PCB来讲，保持信号完整性最重要是阻抗的匹配和一致连续性。阻抗不连续会导致差分导线信号的反射，过孔(via)是导致差分导线不连续的重要因素。

过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。过孔在差分导线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比差分导线的阻抗低12％左右，例如50欧姆的差分导线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆(具体和过孔的尺寸、板厚也有关，不是绝对减小)。在印刷电路板上，位于不同布线层间的两条差分导线，将以过孔连接。此两个过孔可称为差分过孔。差分过孔结构亦造成信号在通过时明显的阻抗不匹配效应而影响信号质量。当信号切换速度日益增快的时候，这种效应将更加严重。例如当250毫伏的布阶信号通过差分过孔，即产生23毫伏的反射(约10％)。可见通过差分过孔对信号的影响是很重大的。此不连续反射可视为一种阻抗不匹配的结果。

若能将过孔的阻抗控制得和差分导线阻抗匹配，信号反射就会降低，信号传输的质量就会提高，系统就会稳定工作。

【发明内容】

本发明提供一种差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法，其中，该方法包括以下步骤：利用差分过孔的互感公式和互容公式得出差分阻抗公式；由差分导线阻抗和差分过孔阻抗相等得到两过孔中心的距离和过孔半径的关系；仿真差分过孔阻抗与差分导线阻抗进行比较，不断调整两过孔中心的距离和过孔半径的值，得出两阻抗匹配时的两过孔中心的距离和过孔半径的值。

所述利用差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法能将差分过孔的阻抗控制得和差分导线的阻抗相匹配，反射就会大大降低，信号传输的质量就会提高，系统就会稳定工作。

   【附图说明】

图1为本发明较佳实施方式的差分过孔的示意图。

图2为本发明差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配方法较佳实施方式的流程图。

【具体实施方式】

图1为本发明较佳实施方式的差分过孔的示意图，该示意图包括过孔焊盘30，反焊盘40，差分导线50，过孔导通柱60。由于差分过孔的结构类似双金属导线，其互感和互容公式可依电磁理论推得如下： $L=\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{d}{2r}\right),$ 其中：μ为磁导率，d为两过孔中心距离，r为过孔半径大小； $C=\frac{\mathrm{\π\ϵ}}{{\cosh }^{-1}(d/2r)},$ 其中：ε为介电常数，d为两过孔中心距离，r为过孔半径大小。差分过孔的特征阻抗值可推导得： $Z_{\mathrm{diff}\_\mathrm{voa}}=\sqrt{\frac{L}{C}}=\frac{{\mathrm{\η}}_o}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{\cosh }^{-1}(d/2r),$ 其中 $\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}},$ η为本征阻抗，ε_r为相对介电常数。由于差分导线50的阻抗值已知，只要使差分导线50的阻抗值与差份过孔的特征阻抗值相等，就可以推出两过孔中心距离d及过孔半径大小r的关系，改变两过孔中心距离d及过孔半径大小r的值，使差分过孔的特征阻抗值与差分导线50的阻抗值相等，就达到了相匹配的效果。例如，以PCB四层板的架构为例，依据两过孔中心距离d及过孔半径大小r，已知差分导线50的阻抗值为100欧姆，调整d，r的参数代入公式使过孔的特征阻抗值与差分导线50的阻抗值相等，再利用这两个参数所确定的值输入到仿真软件，改变参数的值，当输出的仿真软件的输出值与差分导线50的阻抗值最为接近时，就能调节差份过孔阻抗，达到差分导线50的阻抗和差分过孔的阻抗基本匹配，这样就可以减少信号反射，达到阻抗匹配的目的。其调节前后的参数对比如下(表1)：

                              表1

参数	过孔焊盘30	过孔导通柱60	反焊盘40	两过孔中心的距离d	介电系数
						原本	25密尔(mil)	14密尔(mil)	36密尔(mil)	30密尔(mil)	4
匹配后	20密尔(mil)	10密尔(mil)	40密尔(mil)	38密尔(mil)	4

其中，过孔导通柱60和反焊盘40的尺寸是通过过孔焊盘30和两孔中心的距离d决定，当过孔焊盘30和两过孔中心的距离d为定值时，过孔导通柱60和反焊盘40的尺寸与过孔焊盘30和两过孔中心的距离d有关。

图2为本发明差分过孔阻抗与差分导线阻抗相匹配方法的较佳实施方式的流程图。于步骤S21中，利用差分过孔互感和互容公式得出差分阻抗公式 $Z_{\mathrm{diff}\_\mathrm{via}}=\frac{{\mathrm{\η}}_o}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{\cosh }^{-1}(d/2r),$ 其中 $\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}},$ η为本征阻抗、ε_r为相对介电常数、d两过孔中心的距离、r过孔的半径；

于步骤S22中，由差分导线和差分过孔阻抗相等得到d和r的关系；

于步骤S23中，仿真出差分过孔阻抗值，并将其与差分导线阻抗值进行比较，得出两阻抗匹配时的d和r的值；

于步骤S24中，通过d和r的值确定出差分过孔的结构。

Claims (2)

1.一种差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用差分过孔的互感公式和互容公式得出差分过孔阻抗公式；

由差分导线阻抗和差分过孔阻抗相等得到两过孔中心的距离和过孔半径的关系；

仿真出差分过孔阻抗，并将其与差分导线阻抗进行比较，不断调整两过孔中心的距离和过孔半径的值，得出两阻抗匹配时的两过孔中心的距离和过孔半径的值；

通过两过孔中心的距离和过孔半径的值确定出差分过孔的结构。

2.如权利要求1所述的差分过孔阻抗与差分导线阻抗匹配的方法，其特征在于，所述差分阻抗公式为 $Z_{\mathrm{diff}\_\mathrm{via}}=\frac{{\mathrm{\η}}_o}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{\cosh }^{-1}(d/2r),$ 其中 $\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}},$ η为本征阻抗，ε_r为相对介电常数，d为两过孔中心的距离，r为过孔半径。

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