数字系统中数据速率的提高使得印刷电路板的设计更具挑战性因为高频效应开始发挥更重要的作用例如材料损耗、阻抗失配、串扰和模式转换。差分信号是一种减少串扰和抵抗共模噪声的便捷方法。然而几何结构和信号传输中的非理想性会导致差分到共模的转换。已知几种引入模式转换的机制例如由不对称配置引起的偏斜和来自IC发射器的不平衡差分信号这些都会影响链路的电气性能并导致不必要的EMI辐射。差分链路中模式转换存在多个来源例如不对称接地过孔配置和差分对长度失配。印刷电路板的设计和制造在最小化高频信号的有害影响方面起着重要作用。镀通孔过孔因其低成本和易于制造而被广泛使用。然而这些过孔可能引入残桩直接影响传输在特定频率添加不必要的谐振。因此背钻工艺被用来去除这些残桩根据工艺公差残余残桩可能保留。分析了差分配置中这些残余过孔残桩长度不对称引起的模式转换及其在仿真层面的影响。图1(a)描绘了一个在一侧具有不对称过孔残桩的差分链路这导致模式转换。图1(b)描述了一个电气表示其中端口01(-)的过孔残桩比端口01()长。由于残桩长度差异在链路(-)侧引入了延长的电气路径差分对中的信号在端口02处具有不同的延迟时间。当信号到达带状线和过孔残桩的接口时部分信号通过残桩传播并被反射导致信号到达端口02(-)时出现延迟。这导致差分对中的时序不对称反映为边沿上的阶跃如图3(a)所示。这种效应引起差分对中的偏斜转换为共模信号。图3(b)描绘了由残桩效应引起的相位偏移和偏斜导致的共模信号。因此差分对中不对称的过孔残桩配置可能是模式转换的一个来源。接下来将根据残桩长度差异的函数分析这些不对称性对模式转换的影响。不对称过孔残桩引起的模式转换研究残余过孔残桩可能出现在多种场景中。例如制造过程中的背钻错误可能导致不对称。此外公差可能导致约10 mil的残余残桩这些小差异也可能引入模式转换。研究模式转换的几何结构如图2所示其中差分链路建立在8腔堆叠上每个腔的介电厚度为15 mil。一条长度为200 mil的差分带状线走线连接到差分过孔对的另一端。过孔半径为5 mil反焊盘半径为15 mil。定义了吸收边界条件以避免边缘反射。首先考虑长残桩和短残桩影响的极端情况。图4描述了取决于过孔残桩配置即对称或不对称结构的传输和模式转换情况。当没有不对称时模式转换保持在-70 dB以下。这与插入损耗不同在插入损耗中观察到长过孔残桩明显引起谐振频率。甚至短过孔残桩之间2 mil的不对称性也会引起比端口01()和(-)具有104 mil残桩长度的对称情况更高的模式转换。因此过孔残桩配置中的不对称性是模式转换的主要来源而不是对称情况下的残桩长度。在残余过孔残桩长度范围内图5展示了差分过孔残桩配置中某些特定不对称性的模拟模式转换幅度。比较差分过孔残桩配置不对称性从2 mil增加到22 mil的情况模式转换增加了约25 dB。此外一个重要的事实是一个腔厚度量级的不对称性可能引起高达-15 dB的模式转换这在背钻公差范围内。一个有趣的分析案例是不同基频下模式转换的影响。这方面对于高速链路设计中的电气性能可能很重要。图6显示了作为差分过孔残桩不对称性函数的远端模式转换针对三个不同的基频。在一个腔厚度范围内即从10到20 mil残桩不对称性对远端模式转换的影响在-20到-30 dB之间。对于更高的数据速率模式转换的最大值出现在较短的过孔残桩不对称性中并在较高频率下产生影响其中过孔残桩的谐振频率位于此处。正如所指出的长残桩在较低频率下影响传输。同样高频下的模式转换可能受较小过孔残桩不对称性的影响。作为残余过孔残桩长度失配函数的模式转换估计已经表明残余过孔残桩长度不对称性可能导致模式转换。在上一节中研究了背钻工艺公差量级长度的残余过孔残桩引起的模式转换。这些不对称性可能对17.5 GHz的特定基频引起高于-20 dB的模式转换。此处进行了作为这种长度不对称性函数的远端模式转换估计分析。如果过孔残桩延迟短于信号上升时间的一半则过孔残桩可视为并联电容。例如本文定义了最坏残桩长度不对称性场景为102 mil这大约表示信号的往返时间为34.54 ps即两倍的残桩延迟时间。基于该陈述可以考虑将过孔残桩表示为集总元件上升时间为35 ps约为配置中存在的最大时间延迟的两倍。这样在差分对的每一侧不连续性可以简化为过孔阻抗和等效残桩电容的组合。因此存在低通行为电容可近似如下C≈vph*Zvia*lstub其中 lstub是过孔残桩的物理长度vph是基板中的传播速度。基于上述公式计算每个过孔残桩相关的电容允许估计低频下的模式转换幅度作为与残桩不对称性关联效应的初步近似假设过孔阻抗值为50Ω。例如图7显示了当 Δlstub为2和6 mil时的估计。这些估计与全波FIT仿真相关。在10 GHz以下可以观察到良好的一致性。表1显示了在2.5 GHz基频下全波结果与所提出估计之间的一些关联值。表1. 不同过孔残桩不对称性的远端模式转换幅度结论上面对不对称残余过孔残桩引起的模式转换进行了探究。背钻工艺公差量级的差异可能引起高于-20 dB的模式转换。使用低频分析来近似取决于过孔残桩长度不对称性的模式转换量。进一步的研究可以包括与其他已知模式转换来源的比较分析例如不对称接地过孔配置以及多个过孔残桩不对称性的影响。扫码查看更多精彩往期推荐高速接口信号中差分过孔设计的综合优化高速差分信号对内偏差的度量---有效对内偏差附python实现脚本高速信号差分过孔短截线对信号传输波形和眼图的影响及优化方法高速差分信号走线与电缆失配引发的电磁干扰辐射差分信号混合参数模式转换及优化降低高速差分信号线损耗的方法单端信号/差分信号对高速信号在差分线传输时的串扰分析高速差分信号传输中的差分信号到共模信号的转换差分信号传输线的常用阻抗匹配方式回流平面距离阻焊层高度对高速信号差分传输线的阻抗影响高速差分信号传输线阻抗与差分线物理参数的关系