HDMI 設(shè)計(jì)指南：HDTV接收機(jī)應(yīng)用中高速PCB的成功設(shè)

　　過(guò)孔這一術(shù)語(yǔ)一般指的是印刷電路板上的電鍍孔。一些應(yīng)用要求直通的過(guò)孔足夠?qū)挘瑥亩芊胖么┛捉M件的導(dǎo)線，而高速電路板設(shè)計(jì)一般是在對(duì)信號(hào)層進(jìn)行更改時(shí)將其作為線跡過(guò)孔使用，或?qū)⑵渥鳛檫B接過(guò)孔使用，以將 SMT 組件與所需的參考層相連接，同時(shí)也將同一電位的參考層相互連接（見(jiàn)上一章節(jié)中提及的過(guò)孔連接接地層）。
與一個(gè)過(guò)孔連接的各個(gè)層與一個(gè)過(guò)孔周圍焊盤(pán)（過(guò)孔焊盤(pán)）直接相連接。不必連接的各個(gè)層由一個(gè)間隙環(huán)將其與過(guò)孔相隔開(kāi)。每個(gè)過(guò)孔與接地之間都有電容，電容量可以使用如下的方程式計(jì)算出近似值：

其中，D2=接地層間隙孔的直徑（內(nèi)徑）
D1=過(guò)孔周圍焊盤(pán)的直徑（內(nèi)徑）
T=印刷電路板的厚度（內(nèi)厚）
ε1=電路板介電常數(shù)
C=寄生過(guò)孔電容 (pF)

　　由于電容與尺寸成一定比例增加，因此，高速設(shè)計(jì)中的線跡過(guò)孔應(yīng)盡可能的小，以避免較大的容性負(fù)載導(dǎo)致的信號(hào)衰減。

　　當(dāng)把一個(gè)去耦電容器連接至接地層，或?qū)⒏鱾€(gè)接地層相連接時(shí)，與其電容相比，過(guò)孔電感更為重要。該電感的數(shù)值大約為：

其中，L=過(guò)孔電感 (nH)
h=過(guò)孔長(zhǎng)度（內(nèi)長(zhǎng)）
d=過(guò)孔直徑（內(nèi)徑）

　　由于該方程式涉及到一個(gè)對(duì)數(shù)，所以改變過(guò)孔的直徑并不會(huì)對(duì)電感產(chǎn)生任何影響。改變過(guò)孔長(zhǎng)度，或多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)可能會(huì)使電感發(fā)生較大的變化。因此，應(yīng)在每個(gè)器件的終端放置兩個(gè)并聯(lián)的過(guò)孔，將耦合電容器與接地連接。對(duì)于接地層之間的低電感連接而言，應(yīng)在電路板上以相等的間隔放置多個(gè)過(guò)孔。

　　盡管強(qiáng)烈建議不要對(duì)高速線跡的電路層進(jìn)行更改，但是如果有必要更改的話，應(yīng)確保有一條連續(xù)的電流回路。圖 14 的左邊部分顯示了用于單個(gè)電路層更改的電流回流流向，右邊部分顯示了用于多個(gè)電路層更改的電流回流流向。

圖14 單個(gè)及多個(gè)電路層更改的電流回路

　　內(nèi)部間隙環(huán)的一層金屬層片實(shí)現(xiàn)了對(duì)接地層從底層到頂層的電流流向的更改。因此，當(dāng)一個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)過(guò)孔，并延續(xù)至同一層的另一側(cè)時(shí)，不存在電流回流非連續(xù)性的問(wèn)題。 通過(guò)交叉多個(gè)參考層實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)層至另一個(gè)層的信號(hào)線跡更改，這樣使電流回路的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。在兩個(gè)接地層的情況下，一個(gè)接地到接地的過(guò)孔必須放置在信號(hào)過(guò)孔的附近，以確保獲得一個(gè)連續(xù)的電流回路（見(jiàn)圖 14 右邊的圖表）。如果參考層為不同電壓電位，如圖 15 中所示的電源層和接地層，電流回路的設(shè)計(jì)將變得較凌亂，這是由于需要第三個(gè)過(guò)孔和一個(gè)去耦電容器。電流回流開(kāi)始于其最接近信號(hào)電流的電源層底部。之后流經(jīng)電源過(guò)孔，通過(guò)去耦電容器流向接地過(guò)孔，最后回到接地層的頂部。

圖15 單個(gè)及多個(gè)電路層更改的電流回路

　　放置有多個(gè)過(guò)孔和去耦電容器的電流回路具有較高的電感，因此不利于信號(hào)完整性，并增加了 EMI。如果可能的話，在進(jìn)行高速布線時(shí)，避免更改各個(gè)層，這是因?yàn)檫@樣會(huì)降低電路板性能，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并增加生產(chǎn)成本。

去耦電容器

　　去耦電容器為 IC 的充電提供了部分資源，該 IC 在對(duì)內(nèi)部切換響應(yīng)時(shí)需要大量的電源電流。不足量的去耦會(huì)導(dǎo)致所需電源電流不足，阻止 IC 的正常運(yùn)作，從而導(dǎo)致信號(hào)完整性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的發(fā)生。這就要求其在相關(guān)的頻率范圍內(nèi)提供較低的阻抗。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，通常的做法是均勻地分布電路板上的一組去耦電容器。除了保持信號(hào)的完整性以外，去耦電容器還充當(dāng)了一個(gè) EMC 濾波器，以阻止高頻 RF 信號(hào)在整個(gè) PCB 上進(jìn)行傳播。

　　當(dāng)在電源層與接地層之間連接一個(gè)電容器時(shí)，我們實(shí)際上是在對(duì)配置有一個(gè)串聯(lián)諧振電路的電源進(jìn)行加載，該電路的頻率取決于代表了一個(gè)真實(shí)電容器等效電路的 R-L-C 組件。圖 16 顯示了一個(gè)初始等效電路的寄生組件，以及其向一個(gè)串聯(lián)諧振電路的轉(zhuǎn)化。

圖16 一個(gè)串聯(lián)諧振電路模擬的電容器損耗

　　漏電阻 RL 表示低頻情況下漏電流的損耗。RD 和 CD 表示由于分子極化 (RD) 及介電吸收 (CD) 所產(chǎn)生的損耗。RS 表示導(dǎo)線和電容器金屬板中的電阻。三個(gè)電阻損耗組成一個(gè)等效串聯(lián)電阻 (ESR)。在 ESR 這種情況下，等效串聯(lián)電感 (ESL) 為電容器金屬板及內(nèi)部導(dǎo)線的電感之和。

　　請(qǐng)注意，盡管連接過(guò)孔的電容器的阻抗較低，但是會(huì)產(chǎn)生大量的串聯(lián)電感。因此，應(yīng)在每個(gè)電容器終端使用兩個(gè)過(guò)孔來(lái)減少過(guò)孔電感。

　　圖 17 顯示了電容器阻抗 (Z) 級(jí)數(shù)與一個(gè) 10 nF 電容器頻率的關(guān)系。在遠(yuǎn)低于自諧振頻率 (SRF) 條件下，電容性電抗占優(yōu)。同 SRF 更為接近時(shí)，電感性電抗受試圖中和電容性分量的影響。在 SRF 上，電容及電感電抗消失，僅有 ESR 存在。請(qǐng)注意，ESR 取決于頻率，且與通常的看法相反，其并不會(huì)在 SRF 上達(dá)到其最小值，但是阻抗 Z 卻會(huì)這樣。

圖17 電容器阻抗與頻率的關(guān)系

　　并聯(lián)的電容器能在一個(gè)分布式的去耦網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，其原因是電容總量增加至所選用去耦電容器數(shù)值 N。并且當(dāng)電容量為這一數(shù)值時(shí)，電容器阻抗由于頻率低于 SRF 而有所減少。類似地，電感也會(huì)發(fā)生變化，這是因?yàn)樵陬l率高于 SRF 時(shí)阻抗會(huì)降低。

　　一個(gè)可靠的去耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須包括低至 DC 的較低頻率，而 DC 需要實(shí)施大型的電容器。因此，為了能在低頻情況下提供足量的低阻抗，應(yīng)在穩(wěn)壓器的輸出端，以及為 PCB 提供電源的地方放置一些 1 ¼F 到 10 ¼F 的鉭電容。對(duì)于更高的頻率范圍而言，應(yīng)在每一個(gè)高速切換 IC 旁邊放置一些 0.1 ¼F 或 0.01 ¼F 的陶瓷電容。

總結(jié)

　　本文旨在討論高速 PCB 設(shè)計(jì)幾個(gè)主要方面。盡管已有大量技術(shù)性著作、研討會(huì)、新聞稿和網(wǎng)上論壇涉及該話題，但是本文目的在于以一個(gè)全面的方式為 PCB 設(shè)計(jì)人員提供主要設(shè)計(jì)指南。

　　下列提出的幾條建議將會(huì)有助于在最短的時(shí)間內(nèi)完成符合 EMC 要求的電路板的設(shè)計(jì)。