一种PCB差分过孔排布优化方法

本发明属于pcb差分过孔排布设计领域，尤其涉及一种pcb差分过孔排布优化方法。

背景技术：

随着电子技术的飞速发展，串扰已成为高速电子设计中必须面对的关键问题之一。我们知道线性无源系统满足叠加定理。如果在受害线上有信号传输，则噪声会叠加在受害线上的信号上，从而导致信号失真和信号完整性问题。与单端信令相比，差分信令具有较强的抗干扰能力，较高的信噪比，较低的辐射和较大的带宽容量。为了实现高速应用并减少噪声，差分信令已成为数据传输的首选方法。

对于高速数字电路中pcb差分过孔排布，差分对过孔传输的信号完整性往往受到相邻信号网络串扰的影响，破坏信号的完整性。目前，对于pcb差分过孔的分析和研究集中在差分对中差分串扰的抑制方面，而针对如何抑制差分串扰且提高信地比的研究有所欠缺。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种pcb差分过孔排布优化方法，有效抑制差分串扰，提高信号的完整性，还可以显著地提高差分过孔排布模型的信地比。

本发明所采用的技术方案是：一种pcb差分过孔排布优化方法，包括以下步骤：

预设置差分过孔半径，差分过孔间距和反焊盘半径并进行物理建模，得到三角形过孔排布模型；

基于三角形过孔排布模型，按照预设规则构建第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔；

以第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔构成棱形结构并将棱形结构进行扩展，得到完整的差分过孔排布模型。

进一步，所述预设置差分过孔半径，差分过孔间距和反焊盘半径并进行物理建模，得到三角形过孔排布模型这一步骤，其具体包括：

基于q2d仿真工具建立差分过孔的二维模型，先设置差分过孔半径，将差分过孔的特性阻抗设置为100欧姆并通过参数遍历的方法找到模型的参数，确定差分过孔间距；

根据差分过孔半径和差分过孔间距构建差分过孔的叠层二维模型，并获得贴近100欧姆特性阻抗下的反焊盘半径；

根据差分过孔半径、差分过孔间距和反焊盘半径进行物理建模，得到三角形过孔排布模型。

进一步，所述反焊盘包括两个圆形反焊盘和一个矩形反焊盘。

进一步，所述模型的参数包括地过孔数量、介质材料、介质材料对应的介电常数和正切损耗角。

进一步，所述地过孔的数量为8个，所述介质材料为megtron7，megtron7对应的介电常数为3.3，所述正切损耗角为0.02。

进一步，所述基于三角形过孔排布模型，按照预设规则构建第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔这一步骤，其具体包括：

基于三角形过孔排布模型，在三角形过孔排布的基础上，水平方向放置第一对差分过孔；

在第一对差分过孔的正上方斜向60°放置第二对差分过孔；

在第二对差分过孔向右平移两个过孔间距得到第三对差分过孔；

在第三对差分过孔上方水平放置第四对差分过孔。

本发明方法的有益效果是：本发明通过在三角形过孔的基础上，构建垂直对称的差分对排布，并将这种排布结构进行扩展，建立pcb叠层中多个差分过孔排布模型，为高速pcb差分过孔排布优化设计提供参考，相比于信地比传统差分过孔排布模型，本发明的差分过孔排布模式能够有效地抑制差分串扰且提高信地比，从而提高差分过孔传输过程中的信号完整性。

附图说明

图1是本发明具体实施例一种pcb差分过孔排布优化方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施例垂直对称的差分过孔排布结构；

图3是本发明具体实施例差分过孔优化排布德棱形结果；

图4是本发明具体实施例完整的差分过孔排布结构俯视图；

图5是传统差分过孔结构与本发明具体实施例完整的差分过孔排布结构的插损串扰比(icr)的曲线对比；

图6是传统差分过孔结构图与发明具体实施例完整的差分过孔排布结构集成串扰噪声(icn)的对比。

附图标记：1、过孔；2、反焊盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种pcb差分过孔排布优化方法，该方法包括以下步骤：

s1、预设置差分过孔半径，差分过孔间距和反焊盘半径并进行物理建模，得到三角形过孔排布模型；

s2、基于三角形过孔排布模型，按照预设规则构建第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔；

具体地，在三角形过孔排布中构建的多个差分过孔排布。首先在水平方向上选择两个邻近的过孔构成第一对差分过孔，然后在该差分过孔的正上方选择两个邻近的过孔作为第二对差分过孔，第二对差分过孔与水平方向呈60°放置，从而两对差分过孔之间形成垂直对称结构，如图2所示。第二个差分过孔向右水平移动两个过孔间距的长度，构成第三对差分过孔，该差分过孔与水平方向同样呈60°放置，故第二对差分过孔和第三对差分过孔是平行的。第三对差分过孔的正上方选择两个过孔构成第四对差分过孔，两对差分过孔之间同样形成垂直对称结构排布。由于差分过孔形成垂直对称结构后，两个差分过孔受到邻近的差分过孔的串扰是不同的，为了更好的进行区分，将横向排布的差分过孔定义为差分过孔a，与水平方向呈60度排布的差分过孔定义为差分过孔b。信号的串扰通常是由感性耦合和容性耦合共同造成的，其中感性耦合是造成串扰的主要原因。根据对称原理，该结构能够有效抑制差分串扰的原因在于第一对差分过孔中的任何一个信号线与第二对差分过孔的两个信号的间距是相等的，由于第一个差分过孔传输的信号的极性是相反的，这使得第二对差分过孔受到的差分互感可以相互抵消掉一部分，即差分对之间的感性耦合减小，差分过孔受到的差分串扰将会减小。本发明利用垂直对称原理，重新构建差分过孔排布图案，相比于传统排布具有更好的串扰抑制效果和更高的信地比。图2为本发明所建立的垂直对称的差分过孔排布结构，图3为本发明所建立的差分过孔优化排布的棱形结构。

s3、以第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔构成棱形结构并将棱形结构进行扩展，得到完整的差分过孔排布结构。

具体地，将步骤s2中的四对差分过孔排布结构看过一个基本单元，将基本单元上下左右进行扩展，形成周期结构。在实际工程中，可根据电路设计的大小确定差分过孔的数量。该种优化排布的模型信地比为1:1.11，相比于信地比为1:1.5的传统差分过孔排布信地比提高了51.8％。本发明中垂直对称排布的差分过孔模型相对于传统差分过孔排布模型有更好的仿真结果。图4为本发明所建立的差分过孔优化排布的整体结构的俯视图。

进一步作为本方法的优选实施例，所述预设置差分过孔半径，差分过孔间距和反焊盘半径并进行物理建模，得到三角形过孔排布模型这一步骤，其具体包括：

基于q2d仿真工具建立差分过孔的二维模型，先设置差分过孔半径，将差分过孔的特性阻抗设置为100欧姆并通过参数遍历的方法找到模型的参数，确定差分过孔间距；

根据差分过孔半径和差分过孔间距构建差分过孔的叠层二维模型，并获得贴近100欧姆特性阻抗下的反焊盘半径；

根据差分过孔半径、差分过孔间距和反焊盘半径进行物理建模，得到三角形过孔排布模型。

具体地，为了实现差分过孔良好的电气特性，设计差分过孔的过孔半径，过孔之间的间距和反焊盘半径的大小。1是过孔，2表示为模型的反焊盘，d是过孔之间的间距，每个相邻过孔之间的间距长度均为d。为了达到良好的电气性能，选择合适的参数使端口阻抗接近100欧姆。

进一步作为本方法优选实施例，所述反焊盘包括两个圆形反焊盘和一个矩形反焊盘。

进一步作为本发明的优选实施例，所述模型的参数包括地过孔数量、介质材料、介质材料对应的介电常数和正切损耗角。

进一步作为本发明优选实施例，所述地过孔的数量为8个，所述介质材料为megtron7，megtron7对应的介电常数为3.3，所述正切损耗角为0.02。

具体地，过孔半径和过孔间距是决定差分过孔阻抗最重要的参数，其次是差分过孔反焊盘的大小。在q2d仿真建立三角形过孔排布模型，设置一对差分过孔，周围有8个地过孔，选择介质材料为megtron7，其介电常数为3.3，正切损耗角为0.02。仿真结果表明过孔半径为5mil，过孔之间的间距为0.9mm时差分阻抗接近100欧姆。然后使用上一步中得到的过孔半径和过孔间距，用q2d仿真工具获得贴近100欧姆特性阻抗下的反焊盘半径，反焊盘的半径为15mil时差分阻抗近似为100欧姆。总体而言，通过q2d的参数仿真可以使得差分过孔的阻抗接近100欧姆，实现差分过孔良好的电气特性。

进一步作为本发明优选实施例，所述基于三角形过孔排布模型，按照预设规则构建第一对差分过孔、第二对差分过孔、第三对差分过孔和第四对差分过孔这一步骤，其具体包括：

基于三角形过孔排布模型，在三角形过孔排布的基础上，水平方向放置第一对差分过孔；

在第一对差分过孔的正上方斜向60°放置第二对差分过孔；

在第二对差分过孔向右平移两个过孔间距得到第三对差分过孔；

在第三对差分过孔上方水平放置第四对差分过孔。

如图5所示，将传统的差分过孔图案与本发明提出的新差分过孔优化图案的插损串扰比(icr)进行频域上的对比。根据图中结果，在30ghz的频带范围内，本发明中提出的基于对称原理的差分过孔排布相对于传统差分过孔排布，插损串扰比(icr)数值更大，表明本发明的差分过孔优化排布模型具有更优的性能。

进一步，如图6所示，根据集成串扰噪声(icn)的计算标准，将本发明提出的新差分过孔优化排布图案与传统差分过孔排布图案进行时域上对比。，在30ghz频带范围内，本发明中差分过孔优化排布的差分过孔model2a的集成串扰噪声icn为3.14mv，差分过孔model2b的集成串扰噪声icn为2.82mv，小于集成串扰噪声为4.61mv的传统差分过孔排布。本发明的差分过孔优化排布模型中差分过孔model2a和差分过孔model2b的集成串扰噪声(icn)相比于传统差分过孔排布模型分别减小了31.89％，38.82％。

综合上述说明，本发明中提出的图案差分过孔优化排布拥有更好的信号完整特性。相对于传统差分过孔排布图案，本发明的优化排布拥有更高的信地比，能够有效地抑制差分串扰，可以为pcb差分多孔结构提供技术指导。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。