如今越來(lái)越多的視頻設(shè)備以千兆位速率運(yùn)行，它們通過(guò)相對(duì)較大的同軸BNC連接器互連,。雖然這些連接器一般都具有良好的質(zhì)量,，但它們?cè)谠O(shè)備中的性能表現(xiàn)卻取決于它們?cè)赑CB上貼裝得如何。非優(yōu)化的連接器占位設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致阻抗失配,、反射,、信號(hào)損耗,，并降低設(shè)備的信號(hào)保真度。BNC占位PCB布局設(shè)計(jì)任務(wù),，一般由線(xiàn)路布線(xiàn)設(shè)計(jì)師和硬件工程師負(fù)責(zé),，但他們通常沒(méi)有時(shí)間或適合的工具順利完成任務(wù)。本文介紹了BNC占位設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題,，并以插圖說(shuō)明了邊緣貼裝和插入式連接器的占位設(shè)計(jì)示例,。這些連接器可與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMH0384 3G/HD/SD自適應(yīng)電纜均衡器、LMH0303電纜驅(qū)動(dòng)器及LMH0387可配置I/O器件搭配使用,。

BNC的類(lèi)型

視頻設(shè)備在歷史上一直將BNC與75?同軸電纜搭配使用,。視頻畫(huà)面過(guò)去以標(biāo)清速率(270Mbps)傳輸，后來(lái)升至高清速率(1.485Gbps),，現(xiàn)已轉(zhuǎn)換到3Gbps,。BNC連接器須在信號(hào)損耗最小的情況下支持3Gbps的信號(hào)傳輸，同時(shí)還要保持75?的特征阻抗,，并將反射降至最低,。

許多連接器供應(yīng)商都根據(jù)PCB上的貼裝方式提供不同類(lèi)型的BNC?；跈C(jī)械方面的考慮,，這些連接器可以采用垂直貼裝、直角貼裝或邊緣貼裝,。在電氣方面,，信號(hào)引腳要么表面貼裝在電路板頂層的連接焊盤(pán)上，要么焊接在金屬化通孔內(nèi),，信號(hào)布線(xiàn)則位于電路板的另一面,。圖1顯示了一些插入式BNC的示例。圖2是具有表面貼裝信號(hào)引腳的邊緣貼裝BNC示例,。圖3是具有表面貼裝信號(hào)引腳的直角BNC示例,。

插入式BNC 示例
 

圖1：插入式BNC 示例。

圖2：邊緣貼裝BNC 示例,。

圖3：表面貼裝BNC 示例,。

BNC的測(cè)試

BNC是一種同軸連接器，專(zhuān)為支持高達(dá)3Gbps的視頻傳輸而設(shè)計(jì),，其性能主要取決于BNC內(nèi)的同軸結(jié)構(gòu),，從BNC連接器至PCB的轉(zhuǎn)換將嚴(yán)重影響B(tài)NC的性能。設(shè)計(jì)良好的BNC占位對(duì)保持BNC帶寬及其特征阻抗必不可少,。

時(shí)域反射計(jì)(TDR) 是快速檢驗(yàn)無(wú)信號(hào)引腳或占位的BNC同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能的一個(gè)很好的工具,。進(jìn)行該測(cè)試的簡(jiǎn)單方法是用扁平金屬片使BNC的信號(hào)引腳與其屏蔽引腳短路，然后向 BNC內(nèi)發(fā)射TDR階躍脈沖。通過(guò)測(cè)量從發(fā)射的TDR階躍脈沖反射回的信號(hào),，儀表即可測(cè)出在階躍脈沖傳輸期間的阻抗,。

圖4顯示了良好BNC的阻抗曲線(xiàn)。此直角BNC具有均勻的同軸結(jié)構(gòu),，其75Ω特征阻抗在BNC內(nèi)幾乎保持不變,，因此其占位應(yīng)設(shè)計(jì)成具有與BNC相同的特征阻抗。

良好BNC的阻抗曲線(xiàn)

圖4：良好BNC的阻抗曲線(xiàn),。

圖5是一般BNC的阻抗曲線(xiàn),。此直角BNC的同軸結(jié)構(gòu)有不均勻的征兆，在直角彎曲處,，特征阻抗從標(biāo)稱(chēng)的75Ω開(kāi)始下降,。在此情況下，其占位可以設(shè)計(jì)相對(duì)略高的特征阻抗以彌補(bǔ)BNC的缺陷,。

一般BNC的阻抗曲線(xiàn)(阻抗下降),。

圖5：一般BNC的阻抗曲線(xiàn)(阻抗下降),。

圖6給出了不良BNC的阻抗曲線(xiàn),。此直角BNC說(shuō)明其同軸結(jié)構(gòu)有多種不均勻的征兆，在直角彎曲處,，它難以保持其特征阻抗,。在此情況下，很難為BNC提供具有良好回波損耗性能的占位,。

不良BNC的阻抗曲線(xiàn)(阻抗波動(dòng))

圖6：不良BNC的阻抗曲線(xiàn)(阻抗波動(dòng))

BNC至電路板連接中的常見(jiàn)問(wèn)題

大多數(shù)表面貼裝BNC連接器具有直徑大約為30~40mil的大信號(hào)引腳,。為將信號(hào)引腳正確焊接在PCB上，需要寬約50mil的連接焊盤(pán),。為便于布線(xiàn),，通常會(huì)使用8~15mil的較細(xì)表面走線(xiàn)，將信號(hào)從BNC連接器傳送至多引腳數(shù)量的集成電路,。

圖7顯示了未經(jīng)優(yōu)化的邊緣貼裝BNC占位的俯視圖和截面圖,。為實(shí)現(xiàn)75?特征阻抗，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一條12mil的微帶線(xiàn),，安置在GND層上方 15mil處,。BNC的連接焊盤(pán)相當(dāng)于50mil的微帶線(xiàn)。由于在焊盤(pán)下方15mil處有GND層,，所以焊盤(pán)的特征阻抗大大低于走線(xiàn)的特征阻抗,。焊盤(pán)導(dǎo)致阻抗大幅下降，這將會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量并增加寄生電容,，從而減小BNC帶寬,。

未經(jīng)優(yōu)化的邊緣貼裝BNC 占位的俯視圖和截面圖

圖7：未經(jīng)優(yōu)化的邊緣貼裝BNC 占位的俯視圖和截面圖。

大多數(shù)視頻設(shè)備會(huì)使用插入式BNC,，因?yàn)樗哂懈玫馁N裝魯棒性,。BNC通常會(huì)貼裝在電路板的頂層，其信號(hào)引腳焊接在較大的金屬化通孔內(nèi),，信號(hào)布線(xiàn)則位于電路板的底層,。圖8顯示了未經(jīng)優(yōu)化的插入式BNC占位的俯視圖和截面圖。內(nèi)部接地層和電源層與金屬化通孔隔離,，以免信號(hào)引腳短路,。金屬化通孔的圓柱形金屬柱會(huì)產(chǎn)生少量電感。每個(gè)內(nèi)部電源層都會(huì)為金屬化通孔提供寄生電容,，具體容量取決于內(nèi)部電源層與金屬柱之間的間隙,。間隙小的大金屬化通孔會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電容，從而導(dǎo)致阻抗大幅下降,。如果信號(hào)布線(xiàn)在BNC的同一層,，金屬化通孔就會(huì)成為懸掛在信號(hào)走線(xiàn)上的殘端，并產(chǎn)生較大的寄生電容,，甚至導(dǎo)致更大幅度的阻抗下降,。

插入式BNC 占位的俯視圖和截面圖

圖8：插入式BNC 占位的俯視圖和截面圖。

未經(jīng)優(yōu)化的信號(hào)發(fā)射帶來(lái)的影響

美國(guó)電影與電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)發(fā)布了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，用于管理通過(guò)同軸電纜的數(shù)字視頻傳輸,。這些SMPTE標(biāo)準(zhǔn)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(luò)的匹配度,。圖9顯示了回波損耗規(guī)格的相關(guān)SMPTE要求,。不良BNC或未經(jīng)優(yōu)化的BNC占位會(huì)導(dǎo)致阻抗失配，使其難以通過(guò)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(yán)重的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致反射，從而對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,，并且還會(huì)縮小數(shù)據(jù)眼圖的電壓或時(shí)序裕度,。信號(hào)發(fā)射中的過(guò)高寄生電容會(huì)降低信號(hào)路徑的帶寬，并導(dǎo)致符號(hào)間的干擾和抖動(dòng),。圖10給出了因非優(yōu)化信號(hào)發(fā)射而降級(jí)的信號(hào)波形示例,。

因非優(yōu)化信號(hào)發(fā)射而降級(jí)的信號(hào)波形
圖10：因非優(yōu)化信號(hào)發(fā)射而降級(jí)的信號(hào)波形。

BNC的選擇

如何選擇BNC主要取決于BNC的機(jī)械結(jié)構(gòu),，以及與設(shè)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(dá)3Gbps的傳輸,，同時(shí)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(hào)引腳，這樣可在進(jìn)行占位設(shè)計(jì)時(shí)盡量使用最小的通孔或連接焊盤(pán)，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(huì)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(hào)路徑,、尋找偏離目標(biāo)阻抗的電路板幾何圖形，并提出將阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值的方法,。

如果是圖7 所示的表面貼裝BNC,，則大的連接焊盤(pán)將導(dǎo)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(pán)阻抗的方法之一是移除焊盤(pán)下方的一個(gè)或多個(gè)層，以消除過(guò)高的寄生電容,。開(kāi)口尺寸通常設(shè)計(jì)為能提供剛好足夠的邊緣電容,，以將連接焊盤(pán)的阻抗恢復(fù)至其目標(biāo)值。圖11 描述了在焊盤(pán)下方移除層的技術(shù),。占位取決于第一個(gè)GND 層的位置,，以及電路板中電源層的位置和數(shù)量。

針對(duì)表面貼裝BNC 占位移除焊盤(pán)下方的電源層

圖11：針對(duì)表面貼裝BNC 占位移除焊盤(pán)下方的電源層,。

圖12 給出了改進(jìn)的占位示例,。在此示例中，移除焊盤(pán)下方所有的層,。此步驟會(huì)將焊盤(pán)的特征阻抗提高到75Ω(此示例的目標(biāo)阻抗)以上,。為了使阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值 75Ω，在焊盤(pán)的兩端增加了接地金屬片,。這些接地片安置在焊盤(pán)預(yù)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(shí)現(xiàn)所需的阻抗。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與電路板堆疊完全無(wú)關(guān),，因此可在多層電路板設(shè)計(jì)中重復(fù)使用,。

針對(duì)表面貼裝BNC 占位采用GND 移除和GND 保護(hù)片方法

圖13：針對(duì)插入式BNC 占位在引出線(xiàn)上方使用GND 接地片。

圖12：針對(duì)表面貼裝BNC 占位采用GND 移除和GND 保護(hù)片方法,。

透明的BNC 占位--插入式BNC

對(duì)于插入式BNC,，其占位由金屬化通孔及其引出線(xiàn)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(pán))。反焊盤(pán)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(pán)后,，反焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)的引出線(xiàn)將喪失其GND 參考,，其阻抗就會(huì)增加。為解決此問(wèn)題,，需要將短金屬片延長(zhǎng)至反焊盤(pán)內(nèi),，以保證引出線(xiàn)的阻抗。底層引出線(xiàn)上方的第一個(gè)電源層需要延長(zhǎng)金屬片,，其寬度通常為走線(xiàn)寬度的3~5 倍,。圖13 是采用此技術(shù)的BNC 占位,。另一種常用技術(shù)是加寬反焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)的引出線(xiàn)以降低其阻抗,，圖14 是采用此技術(shù)的BNC 占位。

針對(duì)插入式BNC 占位在引出線(xiàn)上方使用GND 接地片

圖13：針對(duì)插入式BNC 占位在引出線(xiàn)上方使用GND 接地片,。

針對(duì)插入式BNC 占位使用更寬的引出線(xiàn)

圖14：針對(duì)插入式BNC 占位使用更寬的引出線(xiàn),。

圖15 給出了改進(jìn)的占位設(shè)計(jì)。在此示例中,，底部金屬層上加寬的引出線(xiàn)任意一側(cè)都安置了兩個(gè)GND 接地片,。這些接地片安置在引出線(xiàn)預(yù)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(shí)現(xiàn)短引出線(xiàn)所需的阻抗,。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能獨(dú)立調(diào)節(jié)電源層中的反焊盤(pán)以控制金屬化通孔阻抗,，且能獨(dú)立調(diào)節(jié)接地保護(hù)片間隙以控制引出線(xiàn)阻抗。

針對(duì)插入式BNC 占位在引出線(xiàn)側(cè)邊使用GND 接地片

圖15：針對(duì)插入式BNC 占位在引出線(xiàn)側(cè)邊使用GND 接地片,。

BNC 占位設(shè)計(jì)優(yōu)化

BNC 占位設(shè)計(jì)涉及在GND 和VCC 內(nèi)層安置反焊盤(pán)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(lái)保證所需的特征阻抗,。占位取決于BNC 的信號(hào)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(shè)計(jì)成偏離標(biāo)稱(chēng)的75Ω 以彌補(bǔ)BNC 本身輕微的缺陷,。硬件工程師必須根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化BNC 占位，在多數(shù)情況下,，常常會(huì)進(jìn)行多次電路板重設(shè)計(jì),。

使用三維電磁仿真可以?xún)?yōu)化BNC 占位設(shè)計(jì)。從BNC 的三維模型(機(jī)械維度和材料特性)開(kāi)始,， 將建議的占位結(jié)構(gòu)和電路板特性(走線(xiàn)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(guān)回波損耗和插入損耗的設(shè)計(jì)目標(biāo),，還可以執(zhí)行仿真TDR 來(lái)檢查BNC 和占位的阻抗曲線(xiàn),。

BNC 供應(yīng)商有完整的BNC 模型，在客戶(hù)輸入電路板堆疊的情況下運(yùn)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(yīng)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMH0387測(cè)試BNC

現(xiàn)在已使用3D EM仿真器優(yōu)化了BNC占位。為驗(yàn)證其系統(tǒng)性能,，將在LMH0387*估板上采用多種BNC類(lèi)型及優(yōu)化占位,。

LMH0387是行業(yè)首款單芯片自適應(yīng)電纜均衡器和電纜驅(qū)動(dòng)器，允許將一個(gè)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(luò),，補(bǔ)償集成電路電容，并可簡(jiǎn)化高速電路板布局,，以良好的裕度滿(mǎn)足SMPTE回波損耗要求,。

圖19顯示了此*估板的簡(jiǎn)化電路。LMH0387通過(guò)交流耦合電容器(4.7μF)連接至BNC,。為達(dá)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(xiàn)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(pán)采用接地層移除技術(shù)。

在BNC端口上將同時(shí)執(zhí)行TDR阻抗測(cè)量和回波損耗測(cè)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(cè)量的阻抗曲線(xiàn)。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(cè)量圖。

LMH0387 可配置I/O 的簡(jiǎn)化示意圖

圖19：LMH0387 可配置I/O 的簡(jiǎn)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,。

圖21：LMH0387 的BNC,、占位和走線(xiàn)的阻抗曲線(xiàn)。

圖22：以良好裕度滿(mǎn)足SMPTE要求的BNC端口回波損耗圖,。

圖23：采用邊緣貼裝和直角表面貼裝BNC的LMH0387示意圖,。

圖24：LMH0387的BNC,、占位和走線(xiàn)的阻抗曲線(xiàn)。

本文小結(jié)

本文討論了BNC占位設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題,，并介紹了透明的占位設(shè)計(jì)的幾種設(shè)計(jì)方法,。最佳的設(shè)計(jì)是使用具有最小信號(hào)引腳的連接器,，從而無(wú)需設(shè)計(jì)任何特殊電路板結(jié)構(gòu)。對(duì)于信號(hào)引腳較大的連接器,，無(wú)論是邊緣貼裝還是插入類(lèi)型,，均可采用具有良好性能的受控阻抗占位。請(qǐng)務(wù)必使用最小的焊盤(pán)或孔,。排查信號(hào)路徑,、逐一檢查電路板結(jié)構(gòu)、尋找路徑中的寄生電感和電容,，并找出消除過(guò)高阻抗以及將阻抗恢復(fù)至目標(biāo)值的方法,。

本文所用的原則不僅適用于占位設(shè)計(jì)，對(duì)其它元件的連接焊盤(pán)也同樣有效,。高速電路板設(shè)計(jì)不再是點(diǎn)A至點(diǎn)B的簡(jiǎn)單連接,。許多細(xì)微的布局決策都會(huì)影響電氣性能,。三維電磁仿真工具可幫助工程師進(jìn)行重要布局決策,，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電氣性能。時(shí)域反射計(jì)是進(jìn)行電路板調(diào)試和識(shí)別阻抗變化位置的有用儀表,。良好的信號(hào)發(fā)射是獲得良好信號(hào)質(zhì)量,，以及滿(mǎn)足回波損耗要求和電路板上其它電路要求的基本。