差分对 AC Cap 阻抗不连续挖地平面问题探讨

在高速电路设计领域，差分信号传输以其卓越的抗干扰能力、对 EMI 的有效抑制以及精准的时序定位，成为保障信号稳定可靠传输的关键技术手段。随着电子设备不断朝着小型化、高性能化方向发展，PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)设计面临着愈发严苛的挑战，其中差分对 AC Cap(交流耦合电容)阻抗不连续问题尤为突出，而挖地平面作为一种常用的解决策略，其相关探讨具有重要的实际意义。

差分信号传输原理与优势

差分信号传输基于两根信号线，通过传输极性相反、幅度相等的信号来承载信息。在接收端，通过对两根信号线上信号的差值进行检测，从而恢复原始信号。这种传输方式具有显著优势。首先，其抗干扰能力极强，当外界存在噪声干扰时，由于两根差分走线之间紧密的耦合特性，噪声几乎会同时耦合到两条线上。而接收端仅关注两信号的差值，因此外界的共模噪声能够被完全抵消。其次，差分电路对诸如地弹等存在于电源和地平面上的噪音信号不敏感。再者，由于两根信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合越紧密，泄放到外界的电磁能量就越少，从而能有效抑制 EMI。

AC Cap 在差分信号传输中的作用

在 PCB 板高速走线互连过程中，差分信号线常常需要串接 AC Cap。其核心作用在于隔离发送和接收端两芯片的直流电压差，防止因电压差导致的短路问题，确保芯片的正常工作与电路的安全性。例如，在一些高速数据传输接口中，不同芯片的工作电压可能存在差异，AC Cap 的存在能够避免这些直流电压相互影响，为差分信号的稳定传输提供基础条件。

阻抗不连续问题的产生及影响

尽管差分信号传输具有诸多优势，但在实际的 PCB 设计中，信号线路上串接的 AC 耦合电容和互连差分过孔却成为了阻抗不连续点。当高频信号在传输路径中遇到这些不连续点时，会引发一系列严重问题。从信号完整性角度来看，过多的容性效应会使该部分的特征阻抗小于差分走线的正常阻抗，导致信号在传输过程中产生反射。这种反射会使信号波形发生畸变，出现振铃、过冲等现象，严重影响信号的质量，可能导致数据传输错误、系统性能下降甚至功能失效。从 EMI 角度分析，阻抗不连续会导致信号的能量无法顺畅传输，部分能量会以电磁辐射的形式泄漏到周围空间，增加了电磁干扰，影响周边电路的正常工作，降低了整个系统的电磁兼容性。

挖地平面解决阻抗不连续问题的原理

为改善 AC 耦合电容和差分过孔带来的阻抗不连续性问题，在耦合电容正下方对其相邻参考层进行挖洞处理是一种常见的策略。其原理在于，通过减少电容正下方地平面的面积，可以降低电容与地平面之间的寄生电容。寄生电容的减小有助于提升该部分的阻抗，使其更接近差分走线的目标阻抗，从而减少因阻抗不连续引发的信号反射，改善信号的传输质量。然而，挖地平面的尺寸并非越大越好。若挖洞尺寸比电容尺寸大很多，会导致特征阻抗提升过大，有可能超过信号传输路径阻抗要求值的上限，同样会对信号传输产生不利影响。因此，挖地平面尺寸的精准控制至关重要。一般来说，电容正下方相邻参考层挖洞尺寸比电容 Pad 尺寸略大为宜，这样能够较好地控制此处的阻抗曲线波动性，确保信号在系统整个传输路径上阻抗的一致性。

挖地平面的实施要点与注意事项

在实施挖地平面操作时，除了要精确控制挖洞尺寸，还需关注其他要点。一方面，要考虑与差分过孔的协同设计。缩小差分过孔 Pitch 间距(一般在 30mil - 35mil 之间)，能够进一步改善阻抗质量，使仿真阻抗曲线波动幅度更小，更好地保证阻抗的一致性。另一方面，挖地平面的位置精度也不容忽视。若挖地平面位置出现偏差，可能无法有效降低寄生电容，甚至可能引入新的电磁干扰源。此外，在多层 PCB 设计中，还需综合考虑挖地平面操作对其他层信号传输的影响，避免因局部优化而对整体系统性能产生负面影响。

结论

差分对 AC Cap 阻抗不连续问题是高速 PCB 设计中必须重视的关键问题。通过合理的挖地平面处理，能够有效改善阻抗不连续性，提升信号完整性和系统的电磁兼容性。然而，在实施过程中，需要深入理解其原理，精准控制挖地平面的尺寸、位置以及与差分过孔等其他因素的协同设计，以确保在实际应用中取得良好的效果。随着电子技术的不断发展，未来对于高速电路设计的要求将更加严格，对差分对 AC Cap 阻抗不连续等问题的研究也需持续深入，以推动 PCB 设计技术的不断进步。