Via Stub 分析完整指南

Via Stub有時被視為一種煩惱，尤其是當(dāng)您只需要在相鄰層之間進行轉(zhuǎn)換時。對于低速、低層數(shù)、密度較低的電路板，通孔存根是事后的想法，否則可能根本不會考慮。對于更快的邊緣速率/更高的頻率，傳統(tǒng)觀點是去除所有過孔存根。問題是：什么才是“高頻”，你如何計算相關(guān)長度？

為了正確地做到這一點，您需要從電路理論中借用一些工具來理解過孔短截線的電氣功能，并且您需要從傳輸線理論中借用一些元素。事實證明，就像 PCB 上的常規(guī)走線一樣，電長通孔樁將起到傳輸線的作用。當(dāng)我們考慮在實際 PCB 中的高 GHz 頻率會發(fā)生什么時會變得更有趣，因為寄生會成為問題。因此，為了通過存根正確理解，我們必須從兩個角度來看待它們：使用電路模型和作為具有傳播波的電長結(jié)構(gòu)。

我將是第一個告訴您電路模型不能準(zhǔn)確描述真實設(shè)計的人之一。電路模型，尤其是 RLC 電路，作為一種可以描述電氣行為的語言非常有用，但不應(yīng)按字面理解電路模型。話雖如此，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^查看通孔的結(jié)構(gòu)、任何附近保持恒定電位的導(dǎo)體（電源/接地層）以及連接到它的傳輸線部分來直觀地創(chuàng)建描述通孔存根的電路模型。

下圖顯示了典型通孔及其短截線、附近焊盤/平面和一些電路元件的圖表，以指示通孔/短截線不同部分的電氣行為。電氣特性由通孔和短截線中的串聯(lián)電感和電阻決定。然而，也有寄生電容返回到其他導(dǎo)體，如電容器符號所示。

通過電路模型中的存根。通孔及其存根周圍存在寄生電容。這些寄生效應(yīng)會根據(jù)頻率改變通孔的阻抗。

通孔的電氣描述通常是電感器與一些非零直流電阻串聯(lián)（因此上圖中的串聯(lián)電感器和電阻器符號）。這意味著過孔的阻抗，包括趨膚效應(yīng)和銅粗糙度，將為：

低頻下的近似通孔阻抗。

在這個方程中，銅粗糙度系數(shù)K基本上增加了抗趨膚效應(yīng)，并且具有復(fù)雜的光譜；正確模擬銅粗糙度的研究繼續(xù)活躍。基本上，通孔的阻抗可以在足夠低的頻率下建模為電感性。然而，這個方程只是一個近似值，因為通孔阻抗與分布電容并聯(lián)返回到附近的導(dǎo)體。在高頻下，電容元件變得更加重要，它允許信號通過電容耦合“滲入”附近的導(dǎo)體。

由于我們具有分布式串聯(lián)電感和直流電阻的分布式并聯(lián)電容，因此真正的過孔阻抗方程與傳輸線的阻抗方程相匹配！因此，通孔和通孔短截線會產(chǎn)生一些由傳播信號看到的插入損耗和回波損耗（由 S 參數(shù)定義）。所以現(xiàn)在，為了正確確定合適的短截線長度，我們需要將通孔、通孔短截線和輸入/輸出線視為各種傳輸線部分。

如果您簡單地想一想，就其電氣行為而言，過孔短截線將如何像傳輸線部分一樣工作應(yīng)該是顯而易見的。信號沿互連的傳播速度是有限的，而這種有限的傳播速度是任何電氣結(jié)構(gòu)中傳輸線行為的基礎(chǔ)。

下圖顯示了如何根據(jù)傳輸線部分的輸入阻抗重新定義過孔、其短截線及其輸入/輸出線。請注意，過孔短截線和主過孔體可能與輸入和輸出線的接地參考不同。在任何情況下，過孔和過孔短截線都會導(dǎo)致傳播信號看到一些輸入阻抗，從而看到傳輸線部分。

過孔短截線和傳輸線部分的輸入阻抗。

過孔樁基本上是帶有開路負載的短傳輸線。因此，通過過孔傳播的信號將在由開路負載定義的過孔短截線邊界處看到輸入阻抗；這是通孔短截線長度通常限制在傳播信號的四分之一波長以下的一個原因（請注意此處的帶寬定義?。?。

就傳輸線理論而言，這是一個具有迭代解決方案的復(fù)雜問題；閱讀 Khongdeach 等人的這篇文章?？磳嶋H解決方法。線路 1 末端的輸入阻抗是短線/線路 2 連接處輸入阻抗的函數(shù)。這個問題的目標(biāo)是確定短截線的臨界長度，使得可見短截線的輸入阻抗非常大（無窮大）。出于這個原因，每個人都謹(jǐn)慎行事，并說要刪除高速線路上的所有通孔存根。不幸的是，需要在板上鉆孔的每個孔都會增加成本，因此您需要選擇應(yīng)該回鉆哪些短截線以及忽略哪些短截線。

現(xiàn)實情況是，您不需要完全移除 PCB 中的每個過孔短截線，您只需要設(shè)置最大短截線長度即可。這可以在您的設(shè)計規(guī)則中完成。作為粗略的近似值，過孔短截線的長度可以設(shè)置為不超過與信號帶寬（對于數(shù)字信號）或信號的載波頻率（對于模擬信號）相關(guān)聯(lián)的波長的 1/10。同樣，這是一個粗略的近似值，但以 0.1 mm 的短截線長度為例：此過孔短截線長度適用于高達大約 150 GHz 的信號（在典型的 FR4 基板上）。這對于大多數(shù)高速協(xié)議和商業(yè)毫米波應(yīng)用（例如雷達或成像）來說已經(jīng)足夠了。

如果您需要設(shè)計帶有過孔短截線或移除過孔的高速/高頻板，Altium Designer ? 中的布線和布局工具可以輕松設(shè)置過孔截線長度的限制。您可以將限制定義為設(shè)計規(guī)則，在鉆孔表和制造文件中包含反鉆說明，并準(zhǔn)備所有其他可交付成果以進行制造。