CN206759799U - 一种提高高速信号完整性的pcb结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种提高高速信号完整性的PCB结构，包括至少四层板结构的PCB，具体为顶层、底层、信号层和地层，其中每个信号层和相邻地层组合构成为一个差分信号单元，所述差分信号单元为差分信号走线层，差分信号走线层设有过孔；所述过孔两端增加地过孔做为高速信号的回流通道。设计方法包括高速PCB设计时在高速差分过孔两端增加地过孔做为高速信号的回流通道。在高速PCB设计过程，通过在高速差分过孔周围增加地过孔并尽量减小地过孔与高速过孔之间的距离的方式改善了高速信号的SI问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及PCB设计技术领域，尤其是涉及一种提高高速信号完整性的PCB结构。
背景技术
随着通信行业信息化程度的深入，大颗粒的交换业务逐步兴起，导致接入层、城域层及骨干网的数据流量均快速的增长。伴随着大数据时代的来临，技侦领域对信号的接入能力要求越来越高，这就需要使用高速互连技术解决大数据传输问题。要突破高速互连的壁垒，首当其冲就要解决信号完整性(SI)问题。
高速信号在传输过程中，阻抗不连续造成的反射式引起SI问题的原因之一，这就要求设计者尽可能减小高速数据链路阻抗不连续的影响，PCB设计过程不可避免的会使用到过孔，过孔即是一个阻抗不连续点，当数据速率达到5Gbps以后阻抗不连续带来的损耗及反射问题尤为明显，会严重影响数据的准确性。对于低频信号而言，过孔几乎不会影响信号的传输质量，但随着信号频率增加和上升沿变陡，过孔将不能简单的作为电气连接，而必须考虑过孔带来的信号完整性问题。对低频信号，信号回流会流经电阻最小的路径；对高频信号，回流路径的电感远比其电阻重要，高频信号回流流经电感最小的路径，而非电阻最小的路径，高频信号的最小电感回流路径正好在信号导线的下面。高速信号线通过过孔换到其它层，但信号的地回路却不能在此处跳变，因为地平面在这里没有地过孔连接两个地参考平面，这样回路信号就不能在信号的下方沿着与信号相同的路径回流，而是通过较远的地过孔构成回路。回流路径增长及阻抗不连续必然会引入更多损耗及反射问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题是针对以上问题，提出一种提高高速信号完整性的PCB结构。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种提高高速信号完整性的PCB结构，包括至少四层板结构的PCB，具体为顶层、底层、信号层和地层，其中每个信号层和相邻地层组合构成为一个差分信号单元，所述差分信号单元为差分信号走线层，差分信号走线层设有过孔；所述过孔两端增加地过孔做为高速信号的回流通道。
进一步，述差分信号单元根据PCB层数需要可以设为多个。
进一步，所述过孔孔径范围为8-10mil，焊盘直径范围为16-20mil，反焊盘直径28-30mil。
进一步，所述地过孔设有多个，相邻两个地过孔之间的距离为4-12mil。
本实用新型具有的优点和有益效果是：在高速PCB设计过程，通过在高速差分过孔周围增加地过孔并尽量减小地过孔与高速过孔之间的距离的方式改善了高速信号的SI问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种提高高速信号完整性的PCB结构的无地回流孔的仿真模型，
图2为图1为本实用新型实施例提供的一种提高高速信号完整性的PCB 结构的有回流孔的仿真模型；
图3为实施例1在高速过孔处的S11(回损)值对比图；
图4为实施例1在高速过孔处的S13(插损)值对比图；
图5为实施例2在高速过孔处的S11(回损)值对比图；
图6为实施例2在高速过孔处的S13(插损)值对比图；
图中：1、顶层，2、底层，3、信号层，4、地层，5、过孔，6、地过孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1为本实用新型实施例提供的一种提高高速信号完整性的PCB结构的无地回流孔的仿真模型，图2为图1为本实用新型实施例提供的一种提高高速信号完整性的PCB结构的有回流孔的仿真模型；图3为实施例1在高速过孔处的S11(回损)值对比图；图4为实施例1在高速过孔处的S13(插损) 值对比图；图5为实施例2在高速过孔处的S11(回损)值对比图；图6为实施例2在高速过孔处的S13(插损)值对比图；
如图1-2所示一种提高高速信号完整性的PCB结构，包括至少四层板结构的PCB，具体为顶层1、底层2、信号层3和地层4，其中每个信号层和相邻地层组合构成为一个差分信号单元，所述差分信号单元为差分信号走线层，差分信号走线层设有过孔5；所述过孔5两端增加地过孔6做为高速信号的回流通道。
所述差分信号单元根据PCB层数需要可以设为多个。
所述过孔5孔径范围为8-10mil，焊盘直径范围为16-20mil，反焊盘直径28-30mil。
所述地过孔6设有多个，相邻两个地过孔6之间的距离为4-12mil。
一种提高高速信号完整性的PCB设计方法，包括以下步骤
步骤1、高速PCB设计时在高速差分过孔两端增加地过孔做为高速信号的回流通道；
步骤2、并在满足制作工艺情况下地过孔的个数尽可能多；
步骤3、并在满足制作工艺情况下保持地回流孔与差分过孔距离尽量近。
实施例
以12层单板为例进行仿真研究，10G信号从顶层经过孔到第10层走线，单板各层差分线阻抗控制为100Ω，过孔孔径为8mil，焊盘直径为16mil，反焊盘直径28mil，图1为无地回流孔的仿真模型，图2为有回流孔的仿真模型。
S参数可以衡量过孔对信号完整性的影响，对有地回流孔和无地回流孔两种情况的模型进行仿真得到S参数，图3为10G信号在高速过孔处的S11(回损)值对比，由图可知，无地回流孔时其S11值为-18.5dB，有地回流孔时其S11值为-25dB，可见，在高速过孔周围增加地回流孔可以有效的减少高速信号在过孔处的反射；图4为10G信号在高速过孔处的S13(插损)值对比，由图可知，无地回流孔时其S13值为-1.7dB，有地回流孔时其S13值为 -0.7dB，可见，在高速过孔周围增加地回流孔可以有效的减小信号流经过孔产生的损耗。
实施例2，针对不同的地回流孔与高速过孔的间距情况进行了仿真，图5 为在地回流孔与高速过孔之间的air gap从4mil变到12mil过程中10G信号在过孔处的S11情况对比，可见，随着地回流孔与高速过孔之间距离不断加大10G信号的在过孔处的反射越来越严重，从-30dB逐渐变到-23.5dB；图 6为air gap从4mil到12mil过程中10G信号在过孔处的S13情况对比，可见，随着地回流孔距离不断加大10G信号的在过孔处的损耗越来越严重，从 -0.56dB逐渐变到-0.78dB。
仿真数据如下表所示：
| 过孔间距 | 回损值S11 | 插损值S13 |
| 4mil | -30dB | -0.56dB |
| 12mil | -23.5dB | -0.78dB |
通过仿真得到以下结论：
(1)在10G高速过孔周围增加地回流孔可以减少信号在过孔处的损耗和反射，进而解决信号完整性问题。
(2)在满足生产可制造性条件下，随着地回流孔距离10G高速过孔的距离越近，高速过孔带来的损耗和反射越小。
因此，在高速PCB设计过程，通过在高速差分过孔周围增加地过孔并尽量减小地过孔与高速过孔之间的距离的方式改善了高速信号的SI问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种提高高速信号完整性的PCB结构，其特征在于：包括至少四层板结构的PCB，具体为顶层(1)、底层(2)、信号层(3)和地层(4)，其中每个信号层和相邻地层组合构成为一个差分信号单元，所述差分信号单元为差分信号走线层，差分信号走线层设有过孔(5)；所述过孔(5)两端增加地过孔(6)做为高速信号的回流通道。
2.根据权利要求1所述的一种提高高速信号完整性的PCB结构，其特征在于：所述差分信号单元根据PCB层数需要设为多个。
3.根据权利要求1所述的一种提高高速信号完整性的PCB结构，其特征在于：所述过孔(5)孔径范围为8-10mil，所述过孔(5)的焊盘直径范围为16-20mil，所述过孔(5)的反焊盘直径28-30mil。
4.根据权利要求1所述的一种提高高速信号完整性的PCB结构，其特征在于：所述地过孔(6)设有多个，相邻两个地过孔(6)之间的距离为4-12mil。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201621233428.1U CN206759799U (zh) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | 一种提高高速信号完整性的pcb结构 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201621233428.1U CN206759799U (zh) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | 一种提高高速信号完整性的pcb结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN206759799U true CN206759799U (zh) | 2017-12-15 |
Family
ID=60606872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201621233428.1U Active CN206759799U (zh) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | 一种提高高速信号完整性的pcb结构 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN206759799U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108650777A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-10-12 | 新华三技术有限公司 | 印制电路板及通信设备 |
| CN113133186A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-07-16 | 山东英信计算机技术有限公司 | 一种基于PCIe 5.0协议的高密连接器PCB结构 |
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2016
- 2016-11-11 CN CN201621233428.1U patent/CN206759799U/zh active Active
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| CN108650777A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-10-12 | 新华三技术有限公司 | 印制电路板及通信设备 |
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