在高速電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，差分信號(hào)傳輸以其卓越的抗干擾能力、對(duì) EMI 的有效抑制以及精準(zhǔn)的時(shí)序定位，成為保障信號(hào)穩(wěn)定可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)手段。隨著電子設(shè)備不斷朝著小型化、高性能化方向發(fā)展，PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)設(shè)計(jì)面臨著愈發(fā)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，其中差分對(duì) AC Cap(交流耦合電容)阻抗不連續(xù)問題尤為突出，而挖地平面作為一種常用的解決策略，其相關(guān)探討具有重要的實(shí)際意義。

差分信號(hào)傳輸原理與優(yōu)勢(shì)

差分信號(hào)傳輸基于兩根信號(hào)線，通過傳輸極性相反、幅度相等的信號(hào)來承載信息。在接收端，通過對(duì)兩根信號(hào)線上信號(hào)的差值進(jìn)行檢測(cè)，從而恢復(fù)原始信號(hào)。這種傳輸方式具有顯著優(yōu)勢(shì)。首先，其抗干擾能力極強(qiáng)，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，由于兩根差分走線之間緊密的耦合特性，噪聲幾乎會(huì)同時(shí)耦合到兩條線上。而接收端僅關(guān)注兩信號(hào)的差值，因此外界的共模噪聲能夠被完全抵消。其次，差分電路對(duì)諸如地彈等存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)不敏感。再者，由于兩根信號(hào)的極性相反，它們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合越緊密，泄放到外界的電磁能量就越少，從而能有效抑制 EMI。

AC Cap 在差分信號(hào)傳輸中的作用

在 PCB 板高速走線互連過程中，差分信號(hào)線常常需要串接 AC Cap。其核心作用在于隔離發(fā)送和接收端兩芯片的直流電壓差，防止因電壓差導(dǎo)致的短路問題，確保芯片的正常工作與電路的安全性。例如，在一些高速數(shù)據(jù)傳輸接口中，不同芯片的工作電壓可能存在差異，AC Cap 的存在能夠避免這些直流電壓相互影響，為差分信號(hào)的穩(wěn)定傳輸提供基礎(chǔ)條件。

阻抗不連續(xù)問題的產(chǎn)生及影響

盡管差分信號(hào)傳輸具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際的 PCB 設(shè)計(jì)中，信號(hào)線路上串接的 AC 耦合電容和互連差分過孔卻成為了阻抗不連續(xù)點(diǎn)。當(dāng)高頻信號(hào)在傳輸路徑中遇到這些不連續(xù)點(diǎn)時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重問題。從信號(hào)完整性角度來看，過多的容性效應(yīng)會(huì)使該部分的特征阻抗小于差分走線的正常阻抗，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生反射。這種反射會(huì)使信號(hào)波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)振鈴、過沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響信號(hào)的質(zhì)量，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、系統(tǒng)性能下降甚至功能失效。從 EMI 角度分析，阻抗不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的能量無法順暢傳輸，部分能量會(huì)以電磁輻射的形式泄漏到周圍空間，增加了電磁干擾，影響周邊電路的正常工作，降低了整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性。

挖地平面解決阻抗不連續(xù)問題的原理

為改善 AC 耦合電容和差分過孔帶來的阻抗不連續(xù)性問題，在耦合電容正下方對(duì)其相鄰參考層進(jìn)行挖洞處理是一種常見的策略。其原理在于，通過減少電容正下方地平面的面積，可以降低電容與地平面之間的寄生電容。寄生電容的減小有助于提升該部分的阻抗，使其更接近差分走線的目標(biāo)阻抗，從而減少因阻抗不連續(xù)引發(fā)的信號(hào)反射，改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量。然而，挖地平面的尺寸并非越大越好。若挖洞尺寸比電容尺寸大很多，會(huì)導(dǎo)致特征阻抗提升過大，有可能超過信號(hào)傳輸路徑阻抗要求值的上限，同樣會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生不利影響。因此，挖地平面尺寸的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。一般來說，電容正下方相鄰參考層挖洞尺寸比電容 Pad 尺寸略大為宜，這樣能夠較好地控制此處的阻抗曲線波動(dòng)性，確保信號(hào)在系統(tǒng)整個(gè)傳輸路徑上阻抗的一致性。

挖地平面的實(shí)施要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

在實(shí)施挖地平面操作時(shí)，除了要精確控制挖洞尺寸，還需關(guān)注其他要點(diǎn)。一方面，要考慮與差分過孔的協(xié)同設(shè)計(jì)?？s小差分過孔 Pitch 間距(一般在 30mil - 35mil 之間)，能夠進(jìn)一步改善阻抗質(zhì)量，使仿真阻抗曲線波動(dòng)幅度更小，更好地保證阻抗的一致性。另一方面，挖地平面的位置精度也不容忽視。若挖地平面位置出現(xiàn)偏差，可能無法有效降低寄生電容，甚至可能引入新的電磁干擾源。此外，在多層 PCB 設(shè)計(jì)中，還需綜合考慮挖地平面操作對(duì)其他層信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，避免因局部?jī)?yōu)化而對(duì)整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

結(jié)論

差分對(duì) AC Cap 阻抗不連續(xù)問題是高速 PCB 設(shè)計(jì)中必須重視的關(guān)鍵問題。通過合理的挖地平面處理，能夠有效改善阻抗不連續(xù)性，提升信號(hào)完整性和系統(tǒng)的電磁兼容性。然而，在實(shí)施過程中，需要深入理解其原理，精準(zhǔn)控制挖地平面的尺寸、位置以及與差分過孔等其他因素的協(xié)同設(shè)計(jì)，以確保在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來對(duì)于高速電路設(shè)計(jì)的要求將更加嚴(yán)格，對(duì)差分對(duì) AC Cap 阻抗不連續(xù)等問題的研究也需持續(xù)深入，以推動(dòng) PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步。