优化数字视频设备的BNC PCB占位设计
作者：Tsun-kit Chin
应用工程师兼技术委员会成员
美国国家半导体公司
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LMH0384 3G/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
钌氧化铝催化剂视频设备在历史上一直将BNC与75Ω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75Ω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。
上彩
Samtec True75™ right angle BNC BNC7T-RT-BN2
Source:
Samtec True75™ right angle BNC BNC7T-RT-BN1Samtec Tru75™ straight BNC BNC7T-ST-TH1
图1：插入式BNC 示例。
Source:
Samtec True75™edge-mount BNC BNC7T-ST-EM1高压智能环网柜
Amphenol edge-mount BNC 31-6009
图2：边缘贴装BNC 示例。
Source:
Amphenol right-angle surface-mount BNC 31-70352
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75Ω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。
组挂网图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75Ω开始下降。在此情况下，其占位可以设计相对略高的特征阻抗以弥补BNC 的缺陷。
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耗性能的占位。
图4：良好BNC 的阻抗曲线。
图5：一般BNC 的阻抗曲线(阻抗下降)。
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
自动喊话器大多数表面贴装BNC 连接器具有直径大约为30~40mil 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8~15mil 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75Ω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。
Board Edge
W=12mils Zo=75Ω
W=50mils Zo << 75ΩTop Layer
GND Plane
VCC Plane
Bottom Layer
斜板
Trace to BNC
Signal Pad of Edge-mount BNC
Cross-sectional View A-A’Cross-sectional View B-B’
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。
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