Управление импедансом переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат

Переходные отверстия играют роль проводников, соединяющих дорожки между различными слоями многослойной печатной платы (печатной платы). В случае низкой частоты переходные отверстия не влияют на передачу сигнала. Однако по мере увеличения частоты (выше 1 ГГц) и резкого нарастания фронта сигнала (максимум 1 нс) переходные отверстия нельзя рассматривать просто как функцию электрического соединения, необходимо тщательно учитывать влияние переходных отверстий на целостность сигнала. Переходные отверстия ведут себя как точки разрыва с прерывистым импедансом на линии передачи, вызывая отражения сигнала. Тем не менее, проблемы, связанные с переходными отверстиями, больше связаны с паразитной емкостью и паразитной индуктивностью. Влияние сквозной паразитной емкости на цепь заключается, прежде всего, в увеличении времени нарастания сигналов и снижении скорости работы цепи. Однако паразитная индуктивность может ослабить вклад шунтирующей схемы и уменьшить фильтрующую функцию всей энергосистемы. В этой статье будет показано, как управление импедансом влияет на целостность сигнала, и даны некоторые советы по проектированию схем.

Влияние переходных отверстий на непрерывность импеданса

Согласно кривой TDR (рефлектометра во временной области) в момент наличия и отсутствия переходного отверстия очевидная задержка сигнала действительно имеет место в ситуации отсутствия сквозного отверстия. В случае отсутствия сквозного отверстия время передачи сигнала на второе тестовое отверстие составляет 458 пс, а время передачи сигнала на второе тестовое отверстие составляет 480 пс в случае наличия сквозного отверстия. Таким образом, через ведет сигналы к задержке на 22 пс.

Задержка сигнала в основном возникает из-за паразитной емкости переходных отверстий, которая определяется по следующей формуле:

В этой формуле D₂ относится к диаметру площадки (мм) на земле, D₁ к диаметру контактной площадки (мм) переходного отверстия, T к толщине печатной платы (мм), ε_r к диэлектрической проницаемости подложки и C к паразитной емкости (пФ) переходного отверстия.

Длина переходного отверстия в этом обсуждении составляет 0,96 мм при диаметре переходного отверстия 0,3 мм, диаметре контактной площадки 0,5 мм и диэлектрической проницаемости 4,2, что соответствует приведенной выше формуле, рассчитанная паразитная емкость составляет приблизительно 0,562 пФ. Если речь идет о линии передачи сигнала с сопротивлением 50 Ом, это переходное отверстие вызовет изменения времени нарастания сигналов с величиной изменения, определяемой по следующей формуле:

Основываясь на представленной выше формуле, изменение времени нарастания, вызванное сквозной емкостью, составляет 30,9 пс, что на 9 пс больше, чем результат испытаний (22 пс), что указывает на то, что разница между теоретическим и практическим результатами действительно существует.

В заключение, задержка сигнала, вызванная паразитной емкостью, не столь очевидна. Однако при проектировании высокоскоростных схем большое внимание следует уделить особенно многоуровневому преобразованию с многократным применением переходных отверстий в трассировке.

По сравнению с паразитной емкостью паразитная индуктивность переходных отверстий приводит к большему повреждению схемы. Паразитную индуктивность переходных отверстий можно определить по следующей формуле:

В этой формуле L относится к паразитной индуктивности (нГн) переходного отверстия, h к длине (мм) переходного отверстия и d к диаметру переходного отверстия (мм). Эквивалентное сопротивление, вызванное паразитной индуктивностью, можно определить по следующей формуле:

Время нарастания тестовых сигналов составляет 500 пс, а его эквивалентное сопротивление составляет 4,28 Ом. Но изменение импеданса в результате переходных отверстий достигает более 12 Ом, и это указывает на то, что измеренное значение сильно отличается от теоретически рассчитанного значения.

Влияние диаметра переходного отверстия на непрерывность импеданса

В соответствии с серией экспериментов можно сделать вывод, что чем больше диаметр переходного отверстия, тем больше неоднородностей будет вызывать переходное отверстие. В процессе проектирования высокочастотных и высокоскоростных печатных плат изменение импеданса обычно контролируется в диапазоне ±10%, иначе возможно искажение сигнала.

Влияние размера площадки на непрерывность импеданса

Паразитная емкость имеет чрезвычайно большое влияние на точки резонанса в полосе высокочастотного сигнала, и ширина полосы будет смещаться вместе с паразитной емкостью. Ведущим элементом, влияющим на паразитную емкость, является размер контактной площадки, который оказывает такое же влияние на целостность сигнала. Таким образом, чем больше диаметр колодки, тем выше будет скачок импеданса.

При изменении диаметра контактной площадки в диапазоне от 0,5 мм до 1,3 мм неравномерность импеданса, вызванная переходными отверстиями, будет постоянно уменьшаться. Когда размер площадки увеличивается с 0,5 мм до 0,7 мм, импеданс будет иметь относительно большую амплитуду изменения. По мере того, как размер пэда будет увеличиваться, изменение импеданса станет плавным. Следовательно, чем больше диаметр контактной площадки, тем ниже будет разрыв импеданса, вызванный переходными отверстиями.

Обратный путь для сигналов Via

Основной принцип прохождения обратного сигнала заключается в том, что высокоскоростной ток обратного сигнала проходит по пути с наименьшей индуктивностью. Поскольку печатная плата содержит более одной заземляющей пластины, ток обратного сигнала проходит непосредственно по одному пути ниже сигнальных линий в заземляющей пластине, ближайшей к сигнальной линии. Когда дело доходит до ситуации, когда все сигнальные токи из одной точки в другую протекают по одной и той же плоскости, если сигналы из одной точки в другую проходят через сквозное отверстие, ток обратного сигнала не сможет прыгать при заземлении. т достигнуто.

В конструкции высокоскоростной печатной платы обратный путь может быть обеспечен сигнальным током для устранения несоответствия импеданса. Вокруг переходного отверстия заземляющее переходное отверстие может быть спроектировано так, чтобы обеспечить обратный путь для сигнального тока с петлей индуктивности, генерируемой между сигнальным переходным отверстием и заземляющим переходным отверстием. Даже разрыв импеданса возникает из-за влияния переходных отверстий, ток может течь в сторону контура индуктивности с улучшением качества сигнала.

Целостность сигнала переходных отверстий

S-параметры могут использоваться для оценки влияния переходных отверстий на целостность сигнала, отражая свойства всех компонентов в канале, включая потери, затухание, отражение и т. д. В соответствии с серией экспериментов, использованных в этой статье, показано, что заземляющие переходные отверстия способны снижения потерь при передаче, и чем больше переходных отверстий заземления вокруг переходных отверстий, тем ниже будут потери при передаче. Заземление путем добавления вокруг переходных отверстий способно в некоторой степени уменьшить потери, вызванные переходными отверстиями.

Согласно обсуждению, продемонстрированному выше в этой статье, можно сделать два вывода:
а. Неоднородность импеданса, вызванная переходными отверстиями, зависит от диаметра переходного отверстия и размера контактной площадки. Чем больше становятся диаметр переходного отверстия и диаметр контактной площадки, тем более серьезной будет вызванная неоднородность импеданса. Неоднородность импеданса, вызванная переходными отверстиями, обычно снижается по мере увеличения размера контактной площадки.
b. Добавление заземляющих переходов способно заметно улучшить разрыв импеданса, который можно регулировать в пределах ±10%. Более того, добавление заземляющих переходов, очевидно, также может повысить целостность сигнала.

Нужна услуга по изготовлению печатных плат со строгим контролем импеданса? PCBCart может это сделать!

PCBCart может производить печатные платы с регулируемым импедансом в соответствии с вашими требованиями. Наш допуск импеданса составляет от ± 5% до ± 10%. Нажмите кнопку ниже, чтобы узнать стоимость изготовления печатной платы онлайн с контролем импеданса.

Полезные ресурсы
• Элементы, влияющие на волновое сопротивление печатной платы, и решения
• Контроль импеданса при проектировании печатных плат высокоскоростной цифровой схемы
• Компания PCBCart предлагает полнофункциональные услуги по изготовлению печатных плат
• Разработка печатных плат Требования к файлам для эффективного производства печатных плат
• Как оценить производителя печатных плат или сборщика печатных плат