PCB设计中的“stub”

英炜硬十 2024-03-10 06:11:30

在电子工程中,Stub 是指 PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)上的一种突出结构,与主要信号传输线相连但是并不对信号起作用的附加结构。Stub 通常是作为支路或者连接线的一部分存在。

有的工程师在设计PCB 布线过程中,总会不小心或者不可避免会多出一些布线线头,如下图所示,还有一些硬件工程师为了一些兼容设计,也会出现潜在一些开路的线头的风险,当然有经验的硬件和Layout工程师是基本上不会犯这种错误的,甚至用一些设计技巧去解决不可规避的Stub。

以上所提到的这些线头Stub,有些地方翻译成:短桩线或者残桩线,这种线头一般是不允许出现的,多余的线头会产生天线辐射效应,也会引起信号反射,最终出现信号完整性问题, 除了Stub线之外,在一些高速的场景,还需要考虑过孔产生的stub

Stub 在 PCB 中可能是由于连接器、元器件引脚、信号层之间的转接等形成的。它们并非用于传输信号的主要路径,而是作为附加结构存在。由于 Stub 与主要信号线相连,它们会在信号传输过程中产生一些负面影响,如信号反射、信号衰减、模式耦合等问题,因此在 PCB 设计中,尽量避免 Stub 的存在或者优化 Stub 的设计是很重要的。

信号反射:当信号在传输线与 stub 的交界处遇到阻抗不匹配时,会产生信号反射。这会导致信号的失真和能量的反向传播,增加了噪声和失真的可能性。

信号衰减:Stub 会增加传输线的总长度,从而增加了信号的传输路径,导致信号的衰减。这会降低信号的强度和清晰度,使得接收端难以准确解析信号。

模式耦合:Stub 可以导致模式耦合,即在 PCB 中的信号线之间相互影响,导致信号干扰和串扰。

为了尽量避免这些问题,PCB 设计中的一般做法是尽量减少 stub 的存在,或者在无法完全避免 stub 的情况下,通过优化 stub 的长度和几何形状来降低它们对信号的影响。这通常包括:

避免直接连接 stub 到主要信号线上:尽量使用平滑的信号路径,减少 stub 的产生。

优化 stub 的长度:如果无法避免 stub,尽量确保 stub 的长度尽可能短,以减少信号传输的影响。

使用匹配网络:在一些特殊情况下,可以使用匹配网络来优化 stub 的阻抗,减少信号反射。

通过这些措施,可以提高 PCB 设计的信号完整性和性能,减少信号传输过程中的干扰和损耗,从而提高系统的可靠性和稳定性。

Stub示意图

过孔残桩(Via Stub)

获得的仿真结果与原始的对比如下图所示:

显然,去掉残桩之后,插入损耗和回波损耗都得到了很好的改善。在14GHz左右,插入损耗相差约40dB,回波损耗也相差了约13dB。这对于高速信号的设计影响非常的大。再对比下其阻抗,如下图所示:

仿真结果来自《信号完整性》公众号

两个设计的过孔阻抗相差了约20ohm。

下面从大家比较熟知的眼图,也可以看到一些结果上的差异:

有一些兼容设计,是通过选焊电阻或者选焊电容来实现的。一对差分数据线,要连到两个接口去,如果分别需要两组电阻或者电容,则不可避免的会出现走线分叉导致信号完整性问题:

例如全志的T527复用了USB3.1和PCIe2.1接口。虽然大多数场景下,这两个接口可能不会同时使用,节约了芯片成本,但是设计的时候,我们往往还是希望能够做到兼容设计。

用叠焊盘的方式可以实现无Stub,这种设计其实经常使用,比如以前在华为时设计SerDes在有扣板的时候先进扣板的FPGA进行网络分包,再分流到DSP和CPU,没有扣板的时候直接进入CPU进行处理,实现两种板型。通过选焊电容实现两种硬件形态,也是通过这种叠焊盘的方式优化Stub,提高信号完整性。

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