優化數字視頻設備的BNC連接器PCB占位設計

　如今越來越多的視頻設備以千兆位速率運行，它們通過相對較大的同軸BNC連接器互連。雖然這些連接器一般都具有良好的質量，但它們在設備中的性能表現卻取決于它們在PCB上貼裝得如何。非優化的連接器占位設計會導致阻抗失配、反射、信號損耗，并降低設備的信號保真度。BNC占位PCB布局設計任務，一般由線路布線設計師和硬件工程師負責，但他們通常沒有時間或適合的工具順利完成任務。本文介紹了BNC占位設計中的幾個常見問題，并以插圖說明了邊緣貼裝和插入式連接器的占位設計示例。這些連接器可與美國國家半導體的LMH0384 3G/HD/SD自適應電纜均衡器、LMH0303電纜驅動器及LMH0387可配置I/O器件搭配使用。

BNC的類型

視頻設備在歷史上一直將BNC與75?同軸電纜搭配使用。視頻畫面過去以標清速率(270Mbps)傳輸，后來升至高清速率(1.485Gbps)，現已轉換到3Gbps。BNC連接器須在信號損耗最小的情況下支持3Gbps的信號傳輸，同時還要保持75?的特征阻抗，并將反射降至最低。

許多連接器供應商都根據PCB上的貼裝方式提供不同類型的BNC。基于機械方面的考慮，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，信號引腳要么表面貼裝在電路板頂層的連接焊盤上，要么焊接在金屬化通孔內，信號布線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引腳的邊緣貼裝BNC示例。圖3是具有表面貼裝信號引腳的直角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的測試

BNC是一種同軸連接器，專為支持高達3Gbps的視頻傳輸而設計，其性能主要取決于BNC內的同軸結構，從BNC連接器至PCB的轉換將嚴重影響BNC的性能。設計良好的BNC占位對保持BNC帶寬及其特征阻抗必不可少。

時域反射計(TDR) 是快速檢驗無信號引腳或占位的BNC同軸結構內部性能的一個很好的工具。進行該測試的簡單方法是用扁平金屬片使BNC的信號引腳與其屏蔽引腳短路，然后向 BNC內發射TDR階躍脈沖。通過測量從發射的TDR階躍脈沖反射回的信號，儀表即可測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。此直角BNC具有均勻的同軸結構，其75Ω特征阻抗在BNC內幾乎保持不變，因此其占位應設計成具有與BNC相同的特征阻抗。

良好BNC的阻抗曲線

圖4：良好BNC的阻抗曲線。

圖5是一般BNC的阻抗曲線。此直角BNC的同軸結構有不均勻的征兆，在直角彎曲處，特征阻抗從標稱的75Ω開始下降。在此情況下，其占位可以設計相對略高的特征阻抗以彌補BNC的缺陷。

一般BNC的阻抗曲線(阻抗下降)。

圖5：一般BNC的阻抗曲線(阻抗下降)。

圖6給出了不良BNC的阻抗曲線。此直角BNC說明其同軸結構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(阻抗波動)

圖6：不良BNC的阻抗曲線(阻抗波動)

BNC至電路板連接中的常見問題

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

圖7顯示了未經優化的邊緣貼裝BNC占位的俯視圖和截面圖。為實現75?特征阻抗，專門設計了一條12mil的微帶線，安置在GND層上方 15mil處。BNC的連接焊盤相當于50mil的微帶線。由于在焊盤下方15mil處有GND層，所以焊盤的特征阻抗大大低于走線的特征阻抗。焊盤導致阻抗大幅下降，這將會影響信號質量并增加寄生電容，從而減小BNC帶寬。

未經優化的邊緣貼裝BNC 占位的俯視圖和截面圖

圖7：未經優化的邊緣貼裝BNC 占位的俯視圖和截面圖。

大多數視頻設備會使用插入式BNC，因為它具有更好的貼裝魯棒性。BNC通常會貼裝在電路板的頂層，其信號引腳焊接在較大的金屬化通孔內，信號布線則位于電路板的底層。圖8顯示了未經優化的插入式BNC占位的俯視圖和截面圖。內部接地層和電源層與金屬化通孔隔離，以免信號引腳短路。金屬化通孔的圓柱形金屬柱會產生少量電感。每個內部電源層都會為金屬化通孔提供寄生電容，具體容量取決于內部電源層與金屬柱之間的間隙。間隙小的大金屬化通孔會產生過高的電容，從而導致阻抗大幅下降。如果信號布線在BNC的同一層，金屬化通孔就會成為懸掛在信號走線上的殘端，并產生較大的寄生電容，甚至導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。