优化数字视频设备的bnc连接器pcb占位设计.doc

1、深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223优化数字视频设备的 BNC 连接器 PCB 占位设计如今越来越多的视频设备以千兆位速率运行，它们通过相对较大的同轴 BNC 连接器互连。虽然这些连接器一般都具有良好的质量，但它们在设备中的性能表现却取决于它们在 PCB 上贴装得如何。非优化的连接器占位设计会导致阻抗失配、反射、信号

2、损耗，并降低设备的信号保真度。BNC 占位 PCB 布局设计任务，一般由线路布线设计师和硬件工程师负责，但他们通常没有时间或适合的工具顺利完成任务。本文介绍了 BNC 占位设计中的几个常见问题，并以插图说明了边缘贴装和插入式连接器的占位设计示例。这些连接器可与美国国家半导体的 LMH03843G/HD/SD 自适应电缆均衡器、LMH0303 电缆驱动器及 LMH0387 可配置 I/O 器件搭配使用。BNC 的类型视频设备在历史上一直将 BNC 与 75?同轴电缆搭配使用。视频画面过去以标清速率(270Mbps)传输，后来升至高清速率(1.485Gbps)，现已转换到 3Gbps。BNC 连接

3、器须在信号损耗最小的情况下支持 3Gbps 的信号传输，同时还要保持 75?的特征阻抗，并将反射降至最低。许多连接器供应商都根据 PCB 上的贴装方式提供不同类型的 BNC。基于机械方面的考虑，这些连接器可以采用垂直贴装、直角贴装或边缘贴装。在电气方面，信号引脚要么表面贴装在电路板顶层的连接焊盘上，要么焊接在金属化通孔内，信号布线则位于电路板的另一面。图 1 显示了一些插入式 BNC 的示例。图 2 是具有表面贴装信号引脚的边缘贴装 BNC 示例。图 3 是具有表面贴装信号引脚的直角 BNC 示例。图 1：插入式 BNC 示例。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行

4、业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223图 2：边缘贴装 BNC 示例。图 3：表面贴装 BNC 示例。BNC 的测试BNC 是一种同轴连接器，专为支持高达 3Gbps 的视频传输而设计，其性能主要取决于 BNC 内的同轴结构，从 BNC 连接器至 PCB 的转换将严重影响 BNC 的性能。设计良好的 BNC 占位对保持 BNC 带宽及其特征阻抗必不可少。时域反射计(TDR)是快速检验

5、无信号引脚或占位的 BNC 同轴结构内部性能的一个很好的工具。进行该测试的简单方法是用扁平金属片使 BNC 的信号引脚与其屏蔽引脚短路，然后向 BNC 内发射 TDR 阶跃脉冲。通过测量从发射的 TDR 阶跃脉冲反射回的信号，仪表即可测出在阶跃脉冲传输期间的阻抗。图 4 显示了良好 BNC 的阻抗曲线。此直角 BNC 具有均匀的同轴结构，其 75 特征阻抗在 BNC 内几乎保持不变，因此其占位应设计成具有与 BNC 相同的特征阻抗。图 4：良好 BNC 的阻抗曲线。图 5 是一般 BNC 的阻抗曲线。此直角 BNC 的同轴结构有不均匀的征兆，在直角弯曲处，特征阻抗从标称的 75 开始下降。在此

6、情况下，其占位可以设计相对略高的特征阻抗以弥补 BNC 的缺陷。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223图 5：一般 BNC 的阻抗曲线(阻抗下降)。图 6 给出了不良 BNC 的阻抗曲线。此直角 BNC 说明其同轴结构有多种不均匀的征兆，在直角弯曲处，它难以保持其特征阻抗。在此情况下，很难为 BNC 提供具有良好回波损

7、耗性能的占位。图 6：不良 BNC 的阻抗曲线(阻抗波动)BNC 至电路板连接中的常见问题大多数表面贴装 BNC 连接器具有直径大约为 3040mil 的大信号引脚。为将信号引脚正确焊接在 PCB上，需要宽约 50mil 的连接焊盘。为便于布线，通常会使用 815mil 的较细表面走线，将信号从 BNC 连接器传送至多引脚数量的集成电路。图 7 显示了未经优化的边缘贴装 BNC 占位的俯视图和截面图。为实现 75?特征阻抗，专门设计了一条12mil 的微带线，安置在 GND 层上方 15mil 处。BNC 的连接焊盘相当于 50mil 的微带线。由于在焊盘下方15mil 处有 GND 层，所以

8、焊盘的特征阻抗大大低于走线的特征阻抗。焊盘导致阻抗大幅下降，这将会影响信号质量并增加寄生电容，从而减小 BNC 带宽。图 7：未经优化的边缘贴装 BNC 占位的俯视图和截面图。大多数视频设备会使用插入式 BNC，因为它具有更好的贴装鲁棒性。BNC 通常会贴装在电路板的顶层，其信号引脚焊接在较大的金属化通孔内，信号布线则位于电路板的底层。图 8 显示了未经优化的插入式BNC 占位的俯视图和截面图。内部接地层和电源层与金属化通孔隔离，以免信号引脚短路。金属化通孔的深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户

9、提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223圆柱形金属柱会产生少量电感。每个内部电源层都会为金属化通孔提供寄生电容，具体容量取决于内部电源层与金属柱之间的间隙。间隙小的大金属化通孔会产生过高的电容，从而导致阻抗大幅下降。如果信号布线在 BNC 的同一层，金属化通孔就会成为悬挂在信号走线上的残端，并产生较大的寄生电容，甚至导致更大幅度的阻抗下降。图 8：插入式 BNC 占位的俯视图和截面图。未经优化的信号发射带来的影响美国电影与电视工程师协会(SMPTE)发布

10、了多个标准，用于管理通过同轴电缆的数字视频传输。这些SMPTE 标准包括输入和输出回波损耗要求，主要规定了输入或输出端口与 75 网络的匹配度。图 9 显示了回波损耗规格的相关 SMPTE 要求。不良 BNC 或未经优化的 BNC 占位会导致阻抗失配，使其难以通过SMPTE 回波损耗限制。图 9：视频端口的 SMPTE 回波损耗要求。严重的阻抗失配会导致反射，从而对信号质量产生不良影响，并且还会缩小数据眼图的电压或时序裕度。信号发射中的过高寄生电容会降低信号路径的带宽，并导致符号间的干扰和抖动。图 10 给出了因非优化信号发射而降级的信号波形示例。图 10：因非优化信号发射而降级的信号波形。B

11、NC 的选择深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223如何选择 BNC 主要取决于 BNC 的机械结构，以及与设备外壳的兼容性。在电气方面，要求 BNC 能在插入损耗较低的情况下支持高达 3Gbps 的传输，同时还要求在其同轴结构内保持均匀性和几乎恒定的特征阻抗。它们最好具有较小的信号引脚，这样可在进行占位设计时尽量使用最

12、小的通孔或连接焊盘，以便将阻抗的不连续性降至最低。透明的 BNC 占位表面贴装 BNC透明的占位(transparentfootprint)是指其具有与 BNC 连接器相同的特征阻抗，且不会显着增加影响 BNC 带宽的电路寄生值。下面探讨几种方法，其中一种有效方法是排查信号路径、寻找偏离目标阻抗的电路板几何图形，并提出将阻抗恢复至目标值的方法。如果是图 7所示的表面贴装 BNC，则大的连接焊盘将导致阻抗大幅下降。提高其阻抗需要使用较大的电介质间隔(H15mil)，但这并不是可选方案。提高焊盘阻抗的方法之一是移除焊盘下方的一个或多个层，以消除过高的寄生电容。开口尺寸通常设计为能提供刚好足够的边缘

13、电容，以将连接焊盘的阻抗恢复至其目标值。图 11描述了在焊盘下方移除层的技术。占位取决于第一个 GND 层的位置，以及电路板中电源层的位置和数量。图 11：针对表面贴装 BNC 占位移除焊盘下方的电源层。图 12给出了改进的占位示例。在此示例中，移除焊盘下方所有的层。此步骤会将焊盘的特征阻抗提高到深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-2654

14、6699-22375(此示例的目标阻抗)以上。为了使阻抗恢复至目标值 75，在焊盘的两端增加了接地金属片。这些接地片安置在焊盘预先定义的距离处，这样就能产生刚好足够的接地耦合以实现所需的阻抗。该结构的优点是与电路板堆叠完全无关，因此可在多层电路板设计中重复使用。图 12：针对表面贴装 BNC 占位采用 GND 移除和 GND 保护片方法。透明的 BNC 占位-插入式 BNC对于插入式 BNC，其占位由金属化通孔及其引出线两部分结构组成。金属化通孔直径通常为3050mil。为使金属化通孔的阻抗保持为 75，在电源层中需要使用大间隙(反焊盘)。反焊盘尺寸决定于金属化通孔直径以及电路板中的电源层数量

15、。使用大的反焊盘后，反焊盘区域内的引出线将丧失其 GND参考，其阻抗就会增加。为解决此问题，需要将短金属片延长至反焊盘内，以保证引出线的阻抗。底层引出线上方的第一个电源层需要延长金属片，其宽度通常为走线宽度的 35倍。图 13 是采用此技术的 BNC 占位。另一种常用技术是加宽反焊盘区域内的引出线以降低其阻抗，图 14 是采用此技术的 BNC 占位。图 13：针对插入式 BNC 占位在引出线上方使用 GND 接地片。图 14：针对插入式 BNC 占位使用更宽的引出线。图 15 给出了改进的占位设计。在此示例中，底部金属层上加宽的引出线任意一侧都安置了两个 GND接地片。这些接地片安置在引出线预

16、先定义好的位置上，这样就能产生刚好足够的接地耦合以实现短引出线所需的阻抗。该结构的优点是能独立调节电源层中的反焊盘以控制金属化通孔阻抗，且能独立调深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223节接地保护片间隙以控制引出线阻抗。图 15：针对插入式 BNC 占位在引出线侧边使用 GND 接地片。BNC 占位设计优化BNC 占位设

17、计涉及在 GND 和 VCC 内层安置反焊盘或移除层，或安置表面 GND接地片，以产生刚好足够的寄生电容来保证所需的特征阻抗。占位取决于 BNC的信号引脚直径，以及电路板中的电源层数量。在某些情况下，占位可以设计成偏离标称的 75 以弥补 BNC本身轻微的缺陷。硬件工程师必须根据以往的经验来优化 BNC 占位，在多数情况下，常常会进行多次电路板重设计。使用三维电磁仿真可以优化 BNC 占位设计。从 BNC 的三维模型(机械维度和材料特性)开始，将建议的占位结构和电路板特性(走线宽度、层叠和材料特性)输入 3D EM仿真器。执行频域仿真以确保符合有关回波损耗和插入损耗的设计目标，还可以执行仿真

18、TDR 来检查BNC 和占位的阻抗曲线。BNC 供应商有完整的 BNC 模型，在客户输入电路板堆叠的情况下运行此仿真，是全面了解 BNC模型的最好方法之一。本部分给出的仿真示例由连接器供应商 Samtec 公司提供。图 16：Samtec 直角 BNC 及其在 PCB 上占位的 3D 模型。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223