Оптимизация импеданса виа для превосходной целостности сигнала в высокочастотных печатных платах

Виа играют роль проводников, соединяющих трассы через разные слои многослойной печатной платы (PCB). В случае низкой частоты виа не влияют на передачу сигналов. Однако по мере роста частоты (выше 1 ГГц) и крутизны фронтов сигнала (не более 1 нс) виа нельзя рассматривать просто как функцию электрического соединения — необходимо тщательно учитывать влияние виа на целостность сигнала. Виа ведут себя как точки разрыва с неcontinuous импедансом на линии передачи, вызывая отражения сигналов. Тем не менее, проблемы, вызванные виа, концентрируются больше на паразитной емкости и паразитной индуктивности. Влияние паразитной емкости виа на цепь в основном заключается в увеличении времени нарастания сигналов и снижении скорости работы цепи. Паразитная индуктивность же ослабляет вклад обходной цепи и снижает фильтрующую функцию всей системы питания. В этой статье будет продемонстрировано, как контроль импеданса виа влияет на целостность сигнала, и даны советы по проектированию цепей.

Влияние виа на непрерывность импеданса

Согласно кривой TDR (ременный домен рефлектометра) в момент наличия виа и отсутствия виа, очевидная задержка сигнала происходит при отсутствии виа. В случае отсутствия виа временной интервал передачи сигнала ко второму тестовому отверстию составляет 458 пс, в то время как при наличии виа — 480 пс. Таким образом, виа задерживает сигналы на 22 пс.

Задержка сигнала в основном результатом паразитной емкости виа, которая вычисляется по формуле ниже:

В этой формуле D₂ — диаметр площадки (мм) на земле, D₁ — диаметр площадки (мм) виа, T — толщина печатной платы (мм), εᵣ — диэлектрическая постоянная подложки, C — паразитная емкость (пФ) виа.

Длина виа в этом обсуждении составляет 0.96 мм, диаметр виа 0.3 мм, диаметр площадки 0.5 мм, диэлектрическая постоянная 4.2. Подставляя в формулу, вычисленная паразитная емкость составляет приблизительно 0.562 пФ. Для линии передачи сигнала с сопротивлением 50 Ом это виа вызовет изменения во времени нарастания сигналов, величина изменения вычисляется по следующей формуле:

На основе формулы, изменение времени нарастания, вызванное емкостью виа, составляет 30.9 пс, что на 9 пс длиннее измеренного результата (22 пс), указывая на вариацию между теоретическим и практическим результатом.

В заключение, задержка сигнала, вызванная паразитной емкостью виа, не так очевидна. Что касается проектирования высокоскоростных цепей, однако, особое внимание должно уделяться особенно переходу слоев с множественным применением виа в трассировке.

По сравнению с паразитной емкостью, паразитная индуктивность, свойственная виа, наносит больший ущерб цепи. Паразитная индуктивность виа может быть вычислена по следующей формуле:

В этой формуле L — паразитная индуктивность (нГн) виа, h — длина (мм) виа, d — диаметр виа (мм). Эквивалентный импеданс, вызванный паразитной индуктивностью виа, может быть вычислен по следующей формуле:

Время нарастания тестовых сигналов 500 пс, и его эквивалентный импеданс 4.28 Ом. Но изменение импеданса в результате виа достигает более 12 Ом, что указывает на то, что измеренное значение имеет экстремальное изменение с теоретически вычисленным значением.

Влияние диаметра виа на непрерывность импеданса

В соответствии с серией экспериментов, можно заключить, что чем больше диаметр виа, тем больше неcontinuousность вызовет виа. 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 оказывает экстремально большое влияние на резонансные точки в высокочастотном сигнальном диапазоне, и полоса пропускания будет страдать от смещения вместе с паразитной емкостью. Ведущий элемент, влияющий на паразитную емкость, — размер площадки, который оказывает эквивалентное влияние на целостность сигнала. Таким образом, чем выше диаметр площадки, тем больше неcontinuousность импеданса она вызовет.

Когда диаметр площадки меняется в диапазоне от 0.5 мм до 1.3 мм, неcontinuousность импеданса, вызванная виа, будет постоянно уменьшаться. Когда размер площадки увеличивается от 0.5 мм до 0.7 мм, импеданс будет иметь относительно большую амплитуду изменения. По мере дальнейшего роста размера площадки изменение импеданса виа становится плавным. Следовательно, чем больше диаметр площадки, тем ниже неcontinuousность импеданса, вызванная виа.

Путь возврата для сигналов виа

Основной принцип потока возврата сигнала: ток возврата высокоскоростного сигнала течет по пути с наименьшей индуктивностью. Поскольку печатная плата содержит более одной плоскости заземления, ток возврата сигнала течет прямо по одному пути под линиями сигнала на плоскости заземления, ближайшей к линии сигнала. Когда речь идет о ситуации, когда все токовые сигналы из одной точки в другую текут по одной плоскости, если сигналы заставляют идти из одной точки в другую через виа, ток возврата не сможет перепрыгнуть, если заземление не достигнуто.

В высокоскоростном проектировании печатных плат путь возврата может быть предоставлен току сигнала виа для устранения несовпадения импеданса. Вокруг виа можно спроектировать заземляющее виа для предоставления пути возврата току сигнала с генерацией индуктивного контура между сигнальным виа и заземляющим виа. Даже если неcontinuousность импеданса возникает из-за влияния виа, ток сможет течь к индуктивному контуру с улучшением качества сигнала.

Целостность сигнала виа

S-параметры могут использоваться для оценки влияния виа на целостность сигнала, представляя свойства всех ингредиентов в канале, включая потери, затухание и отражения. В соответствии с серией экспериментов, использованных в этой статье, указано, что заземляющее виа способно уменьшить потери передачи, и чем больше заземляющих виа вокруг виа, тем ниже потери передачи. Добавление заземляющих виа вокруг виа способно уменьшить потери, вызванные виа, до определенной степени.

Согласно обсуждению, продемонстрированному выше в этой статье, можно сделать два заключения:
a. Неcontinuousность импеданса, вызванная виа, зависит от диаметра виа и размера площадки. Чем больше диаметр виа и диаметр площадки, тем серьезнее вызванная неcontinuousность импеданса. Неcontinuousность импеданса, вызванная виа, обычно снижается по мере роста размера площадки.
b. Добавление заземляющих виа способно заметно улучшить неcontinuousность импеданса виа, которая может быть контролирована в диапазоне ±10%. Кроме того, добавление заземляющих виа также может заметно повысить целостность сигнала.

Нужен сервис производства печатных плат со строгим контролем импеданса? PCBCart может это сделать!

PCBCart способен производить печатные платы с контролируемым импедансом согласно вашим требованиям. Наш допуск импеданса составляет от ±5% до ±10%. Нажмите кнопку ниже, чтобы получить онлайн-стоимость производства печатных плат с контролем импеданса.

Полезные ресурсы:
• Элементы, влияющие на характеристический импеданс печатных плат и решения
• Контроль импеданса в проектировании печатных плат высокоскоростных цифровых цепей
• PCBCart предлагает полнофункциональные сервисы производства печатных плат
• Требования к проектным файлам для эффективного производства печатных плат
• Как оценить производителя печатных плат или сборщика печатных плат