優(yōu)化數(shù)字視頻設備的BNC連接器PCB占位設計
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未經(jīng)優(yōu)化的信號發(fā)射帶來的影響
美國電影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)發(fā)布了多個標準，用于管理通過同軸電纜的數(shù)字視頻傳輸。這些SMPTE標準包括輸入和輸出回波損耗要求，主要規(guī)定了輸入或輸出端口與75Ω網(wǎng)絡的匹配度。圖9顯示了回波損耗規(guī)格的相關SMPTE要求。不良BNC或未經(jīng)優(yōu)化的BNC占位會導致阻抗失配，使其難以通過SMPTE回波損耗限制。
視頻端口的SMPTE 回波損耗要求
圖9：視頻端口的SMPTE 回波損耗要求。
嚴重的阻抗失配會導致反射，從而對信號質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，并且還會縮小數(shù)據(jù)眼圖的電壓或時序裕度。信號發(fā)射中的過高寄生電容會降低信號路徑的帶寬，并導致符號間的干擾和抖動。圖10給出了因非優(yōu)化信號發(fā)射而降級的信號波形示例。
因非優(yōu)化信號發(fā)射而降級的信號波形
圖10：因非優(yōu)化信號發(fā)射而降級的信號波形。
BNC的選擇
如何選擇BNC主要取決于BNC的機械結(jié)構(gòu)，以及與設備外殼的兼容性。在電氣方面，要求BNC能在插入損耗較低的情況下支持高達3Gbps的傳輸，同時還要求在其同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)保持均勻性和幾乎恒定的特征阻抗。它們最好具有較小的信號引腳，這樣可在進行占位設計時盡量使用最小的通孔或連接焊盤，以便將阻抗的不連續(xù)性降至最低。
透明的BNC占位——表面貼裝BNC
透明的占位(transparent footprint)是指其具有與BNC連接器相同的特征阻抗，且不會顯著增加影響B(tài)NC帶寬的電路寄生值。下面探討幾種方法，其中一種有效方法是排查信號路徑、尋找偏離目標阻抗的電路板幾何圖形，并提出將阻抗恢復至目標值的方法。
如果是圖7 所示的表面貼裝BNC，則大的連接焊盤將導致阻抗大幅下降。提高其阻抗需要使用較大的電介質(zhì)間隔(H>>15mil)，但這并不是可選方案。提高焊盤阻抗的方法之一是移除焊盤下方的一個或多個層，以消除過高的寄生電容。開口尺寸通常設計為能提供剛好足夠的邊緣電容，以將連接焊盤的阻抗恢復至其目標值。圖11 描述了在焊盤下方移除層的技術。占位取決于第一個GND 層的位置，以及電路板中電源層的位置和數(shù)量。
針對表面貼裝BNC 占位移除焊盤下方的電源層
圖11：針對表面貼裝BNC 占位移除焊盤下方的電源層。
圖12 給出了改進的占位示例。在此示例中，移除焊盤下方所有的層。此步驟會將焊盤的特征阻抗提高到75Ω(此示例的目標阻抗)以上。為了使阻抗恢復至目標值 75Ω，在焊盤的兩端增加了接地金屬片。這些接地片安置在焊盤預先定義的距離處，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實現(xiàn)所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是與電路板堆疊完全無關，因此可在多層電路板設計中重復使用。
針對表面貼裝BNC 占位采用GND 移除和GND 保護片方法本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179982.htm
圖13：針對插入式BNC 占位在引出線上方使用GND 接地片。
圖12：針對表面貼裝BNC 占位采用GND 移除和GND 保護片方法。
透明的BNC 占位--插入式BNC
對于插入式BNC，其占位由金屬化通孔及其引出線兩部分結(jié)構(gòu)組成。金屬化通孔直徑通常為30~50mil。為使金屬化通孔的阻抗保持為75Ω，在電源層中需要使用大間隙(反焊盤)。反焊盤尺寸決定于金屬化通孔直徑以及電路板中的電源層數(shù)量。使用大的反焊盤后，反焊盤區(qū)域內(nèi)的引出線將喪失其GND 參考，其阻抗就會增加。為解決此問題，需要將短金屬片延長至反焊盤內(nèi)，以保證引出線的阻抗。底層引出線上方的第一個電源層需要延長金屬片，其寬度通常為走線寬度的3~5 倍。圖13 是采用此技術的BNC 占位。另一種常用技術是加寬反焊盤區(qū)域內(nèi)的引出線以降低其阻抗，圖14 是采用此技術的BNC 占位。
針對插入式BNC 占位在引出線上方使用GND 接地片
圖13：針對插入式BNC 占位在引出線上方使用GND 接地片。
針對插入式BNC 占位使用更寬的引出線
圖14：針對插入式BNC 占位使用更寬的引出線。
圖15 給出了改進的占位設計。在此示例中，底部金屬層上加寬的引出線任意一側(cè)都安置了兩個GND 接地片。這些接地片安置在引出線預先定義好的位置上，這樣就能產(chǎn)生剛好足夠的接地耦合以實現(xiàn)短引出線所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能獨立調(diào)節(jié)電源層中的反焊盤以控制金屬化通孔阻抗，且能獨立調(diào)節(jié)接地保護片間隙以控制引出線阻抗。
針對插入式BNC 占位在引出線側(cè)邊使用GND 接地片
圖15：針對插入式BNC 占位在引出線側(cè)邊使用GND 接地片。
BNC 占位設計優(yōu)化
BNC 占位設計涉及在GND 和VCC 內(nèi)層安置反焊盤或移除層，或安置表面GND 接地片，以產(chǎn)生剛好足夠的寄生電容來保證所需的特征阻抗。占位取決于BNC 的信號引腳直徑，以及電路板中的電源層數(shù)量。在某些情況下，占位可以設計成偏離標稱的75Ω 以彌補BNC 本身輕微的缺陷。硬件工程師必須根據(jù)以往的經(jīng)驗來優(yōu)化BNC 占位，在多數(shù)情況下，常常會進行多次電路板重設計。
使用三維電磁仿真可以優(yōu)化BNC 占位設計。從BNC 的三維模型(機械維度和材料特性)開始， 將建議的占位結(jié)構(gòu)和電路板特性(走線寬度、層疊和材料特性)輸入3D EM 仿真器。執(zhí)行頻域仿真以確保符合有關回波損耗和插入損耗的設計目標，還可以執(zhí)行仿真TDR 來檢查BNC 和占位的阻抗曲線。
BNC 供應商有完整的BNC 模型，在客戶輸入電路板堆疊的情況下運行此仿真，是全面了解BNC 模型的最好方法之一。本部分給出的仿真示例由連接器供應商Samtec 公司提供。
Samtec 直角BNC 及其在PCB 上占位的3D 模型
圖16：Samtec 直角BNC 及其在PCB 上占位的3D 模型。
BNC 及其占位的仿真回波損耗
圖17：BNC 及其占位的仿真回波損耗。
BNC及其占位的仿真插入損耗
圖18：BNC及其占位的仿真插入損耗。
使用美國國家半導體的LMH0387測試BNC
現(xiàn)在已使用3D EM仿真器優(yōu)化了BNC占位。為驗證其系統(tǒng)性能，將在LMH0387*估板上采用多種BNC類型及優(yōu)化占位。
LMH0387是行業(yè)首款單芯片自適應電纜均衡器和電纜驅(qū)動器，允許將一個BNC共享為輸入端口或輸出端口。它具有內(nèi)置端接和回波損耗網(wǎng)絡，補償集成電路電容，并可簡化高速電路板布局，以良好的裕度滿足SMPTE回波損耗要求。
圖19顯示了此*估板的簡化電路。LMH0387通過交流耦合電容器(4.7μF)連接至BNC。為達到良好的回波損耗，將LMH0387安置在靠近BNC端口的位置，并使用75Ω走線將其連接至BNC。為將阻抗的不連續(xù)性降至最低，還要為4.7μF交流耦合電容器的大連接焊盤采用接地層移除技術。
在BNC端口上將同時執(zhí)行TDR阻抗測量和回波損耗測量。圖20是貼裝有垂直和直角插入式BNC的兩塊*估板示意圖。圖21是使用TDR為其測量的阻抗曲線。圖22是其回波損耗圖，表明離SMPTE的限制有5~10dB的裕度。
圖23~25是邊緣貼裝和表面貼裝BNC的另一組測量圖。
LMH0387 可配置I/O 的簡化示意圖
圖19：LMH0387 可配置I/O 的簡化示意圖。
LMH0387 可配置I/O 的性能圖
圖20：貼裝有垂直和直角插入式BNC 的LMH0387 示意圖。
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