改进高频信号传输中的SMT焊盘设计

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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。
       
        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。
       
        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。

       
       
        图1 没有裁剪过参考平面的PCB侧视图
       
        图2 裁剪过参考平面的PCB侧视图

       
        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。

       
       

        图3 裁剪过参考平面的PCB顶视图

       
       
        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：
       
        C =条状电容（单位：pF）；
       
        L =条状电感（单位：nH）；
       
        Zo =特征阻抗（单位：Ω）；
       
        ε=介电常数；
       
        w =SMT焊盘宽度；
       
        l =SMT焊盘长度；
       
        d =SMT焊盘和下方参考平面之间的距离；
       
        t =SMT焊盘的厚度。
       
        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。
       
        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。
         
        分析交流耦合电容的SMT焊盘效应
       
        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。

       
       
        图4 交流耦合电容的SMT焊盘效应：仿真得到的TRD图
       
        图5 交流耦合电容的SMT焊盘效应：仿真得到的插损图

       
        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）。
       
        分析B2B连接器的SMT焊盘效应
       
        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。

       
       
        图6 B2B连接器的SMT焊盘效应：仿真得到的TDR图
       

        图7 B2B连接器的SMT焊盘效应：仿真得到的插损图

       
        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。
       
        小结
       
        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。