差分对上泪滴状导线的使用：可靠性与信号完整性的权衡
差分对上泪滴状导线的使用：可靠性与信号完整性的权衡
在PCB设计中，泪滴状导线的使用是一个既关乎可靠性又影响信号完整性的技术问题。本文深入探讨了在差分对上使用泪滴状导线的利弊，分析了泪滴形状、长度、间距等因素对信号传输的影响，并提供了实用的设计建议。
影响 PCBA 可靠性的主要因素之一是 PCB 走线上泪滴状导线的使用。泪滴状导线非常有用，一些制造商可能要求在他们制造的 III 类产品中使用泪滴状导线，目的是扩大钻孔上的环形环。与可靠性的许多方面一样，这些考虑因素也延伸到信号完整性领域，特别是因为更多高可靠性产品需要更大的数据处理能力并以更高的速度运行。
由于高速接口采用差分对运行，因此自然出现的问题是：
- 您是否应该在差分对上使用泪滴形连接器？
这是我们最近的播客嘉宾之一 Mario Strano向我提出的一个问题。这是高速设计中的一个重要问题，因为泪滴状结构本质上会在通孔的输入端引入输入阻抗偏差。从概念上讲，我认为这是一个很好的问题，因为 PCB 泪滴状结构对于可靠性很重要，并且它反映了人们认识到泪滴状结构可以改变阻抗。在本文中，我将分析差分对泪滴状结构使用中存在的问题以及这些问题如何影响阻抗。
为什么是泪珠？
首先，我认为重要的是要记住为什么泪滴状元件可能被放置在差分对（或任何其他走线）上，这些走线被路由到通孔中。在制造过程中，当为通孔或其他 NPTH/安装孔钻孔时，钻头可能会在钻孔之间徘徊并稍微偏离其钻孔目标。如果存在大量徘徊，钻头可能会切断通孔上的连接走线或焊盘，这可能会在电镀后留下开路连接。
可以使用泪滴来帮助防止任何可能切断与通孔焊盘相连的走线的突破。这里的想法是提供一些额外的铜，以帮助防止在制造过程中因钻孔而导致的走线突破。
在 PCB 的走线上添加了泪滴。
一些 IPC 3 级制造厂会推荐泪滴，但这带来了高速接口信号完整性的问题。这些元素如何影响高速信号，尤其是差分对？这个问题很重要，因为标准高速接口使用差分信号，而且越来越多的高可靠性产品正在采用这些协议。
寻求 RF 设计的智慧
信不信由你，我们可以再次参考 RF PCB 设计实践。这些差分走线上有一个锥形部分，RF 工程师经常用它来匹配阻抗。事实上，锥形部分用作从微带到基片集成波导 (SIW) 和接地共面波导的过渡元件。这些元件提供的阻抗匹配可以是宽带的，并为具有中等带宽的 RF 信号提供谐振之间非常一致的相位响应。
对于数字信号，在研究泪滴如何影响高速信号时我们必须考虑三个挑战：
- 带宽：所有数字信号都具有较宽的带宽（理论上是无限的）；信道需要传输高达奈奎斯特频率极限的频率。
- 耦合：对于差分对，我们有一对耦合的锥形，而不仅仅是一个孤立的锥形，并且耦合取决于走线宽度和间距。
- 锥化率：泪滴形锥化至通孔焊盘宽度的速率决定了对中一条走线的单端阻抗变化的速率，从而决定了差分阻抗变化的速率。
- 锥形轮廓：泪滴状轮廓是线性的还是曲线的？这对阻抗匹配和传播也很重要。
鉴于以上三点，要将泪滴对差分对的影响降至最低，需要选择合适的锥形宽度和长度。但是，由于锥形宽度增大会降低走线阻抗，因此您需要确保通孔的输入阻抗（仅在高频下有效）低于锥形前输入走线的奇模阻抗。
对于差分对，这意味着您需要控制对之间的间距以及沿泪滴的锥度率/长度。让我们看看这些要点：
锥度长度
接下来，我们应该问，泪滴状结构中应使用多长的锥形？让我们再次回到具有锥形匹配部分的射频系统。如果您需要具有一致回波损耗且在高带宽下无谐振行为的匹配阻抗，则锥形需要提供平滑的阻抗过渡，直至所需的带宽限制。这些锥形中的带宽限制由相变定义，以特定谐振频率下的建设性干扰为标志（见下文）。
为什么要限制带宽？这是因为迹线锥度的作用类似于高通滤波器，并且它具有一定的电气长度，如果与通孔正确匹配，则超过该电气长度，它将充当其自身的传输线短段。我们可以通过（再次）从锥度中得出一些见解来了解锥度在何处变得带宽受限。下面的示例显示了一条微带线从 50 欧姆迹线逐渐变细到 40 欧姆输出，并在 Rogers 3003 电介质上形成泪滴。我们可以立即看到，当锥度变小时，带宽限制会扩展到更高的频率。
Klopfenstein 追踪了 50 至 40 欧姆过渡的锥形回波损耗频谱。
我们只在特定频率下实现完美匹配，但在中频范围内，回波损耗频谱是平坦的。以上还假设锥形的输出侧与通孔完美匹配，但事实可能并非如此。如果是这样，回波损耗将有所不同，并且将由较低频率下通孔输入处的反射系数决定。
我将在这个主题的第二部分中讨论确定泪滴形锥度率函数的输入阻抗的解析表达式。
泪滴之间的间距
差分对的间距将部分决定差分对中每条迹线的奇模阻抗。如果迹线相互逐渐变细，泪滴区域之间的间距减小会进一步降低通向通孔的阻抗。间距和锥形长度以及锥形角度都会影响输入阻抗（以及 S 参数和通道顺从性）。
差分对上的泪滴状元件之间的间距布线至过孔。
如果间距已经很大，而您在差分对上应用泪滴状线而不使其成一定角度，则奇模阻抗偏差将大于正常值，因为间距沿锥形长度减小。单端阻抗已沿锥形长度减小，但沿锥形长度减小的间距将进一步降低阻抗。
如果您设计的差分对间距不太小（右侧），并且您在差分对下方使用了薄电介质（尤其是微带线），那么在差分通孔对上应用泪滴不会对阻抗产生很大影响。阻抗已经由接地的存在决定。如果您随后将走线倾斜，您将看到通孔对中的差分阻抗的阻抗偏差较小。
设计规则
基于上面列出的要点，我们得出差分对泪滴状结构的以下结果：
- 信号带宽越大，需要的泪滴状锥度距离越小
- 尝试将泪滴部分倾斜，以保持边到边的间距恒定
- 最终宽度应与差分过孔的输入阻抗相匹配
- 如果可能的话，泪滴区域应该在过孔对的输入和输出处对称
不幸的是，在要点 #3 中声明“应匹配差分通孔/焊盘的输入阻抗”说起来容易做起来难。据我所知，只有一种方法可以提供差分通孔阻抗计算的精确度，它从计算一对差分通孔的传播延迟开始。大多数单端通孔阻抗计算器完全不准确，不会产生任何与 TDR 的实验结果相匹配的结果，因此从那里开始是没有意义的。此外，大多数通孔阻抗计算器都不是基于宽带模型的，因此它们不会考虑传播和模式激励，因此它们不会产生在高频下准确的结果，而这正是您需要高速信号精确度的地方！
泪滴并非可靠性的必要条件
尽管通常建议使用泪滴结构以确保可靠性，并且一些制造厂原则上会建议任何 3 级产品都使用泪滴结构，但它们并不是可靠性的必要条件。例如，在 OpenVPX背板中，您不会看到任何泪滴结构的要求，而且在为客户设计这些背板（3U 或 6U）时，我从未被要求添加泪滴结构。我提出这个特定的开放标准，是因为其确保可靠性所需的设计要求比您为 2 级或 3 级产品实施的要求更为保守，并且它们部署在一些最恶劣的环境中（军事航空）。
就泪滴评估而言，可以使用模拟来确定何时锥化长度和锥化率太小/太大，以至于它们开始影响信号行为。要检查的关键指标是查看互连泪滴部分的 S 参数，特别是查看 S11（回波损耗）以确定是否存在不可接受的阻抗偏差。一些专门的电磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）将半自动计算泪滴应用于迹线的 S11。