Impedantiecontrole van via's en de invloed ervan op signaalintegriteit in PCB-ontwerp

Via's spelen een rol als geleiders die sporen verbinden over verschillende lagen van een meerlaagse PCB (Printed Circuit Board). In het geval van lage frequenties hebben via's geen invloed op de signaaloverdracht. Naarmate de frequentie stijgt (1 GHz hoger) en de stijgende flank van het signaal steil wordt (maximaal 1 ns), kunnen via's niet eenvoudig worden beschouwd als een functie van de elektrische verbinding, maar moet de invloed van via's op de signaalintegriteit zorgvuldig worden overwogen. Via's gedragen zich als breekpunten met een discontinue impedantie op de transmissielijn, waardoor signaalreflecties ontstaan. Desalniettemin concentreren problemen die door via's worden gebracht zich meer op parasitaire capaciteit en parasitaire inductantie. De invloed van via parasitaire capaciteit op het circuit is voornamelijk om de stijgtijd van signalen te verlengen en de loopsnelheid van het circuit te verminderen. Parasitaire inductantie kan echter de bijdrage van het bypasscircuit verzwakken en de filterfunctie van het hele voedingssysteem verminderen. Dit artikel zal demonstreren hoe via impedantiecontrole de signaalintegriteit beïnvloedt en wat advies geven over circuitontwerp.

Invloed van via's op de continuïteit van de impedantie

Volgens de TDR-curve (time domain reflectometer) op het moment van via aanwezigheid en via afwezigheid, treedt duidelijke signaalvertraging op in de situatie van via afwezigheid. In het geval van via-afwezigheid is de tijdspanne van signaaloverdracht naar het tweede testgat 458ps, terwijl die van signaaloverdracht naar het tweede testgat 480ps is in het geval van via-aanwezigheid. Dus via leads signalen om 22ps te vertragen.

Signaalvertraging is voornamelijk het gevolg van parasitaire capaciteit van via's die wordt berekend door de onderstaande formule:

In deze formule, D₂ verwijst naar de paddiameter (mm) op de grond, D₁ tot paddiameter (mm) van via, T tot dikte van printplaat (mm), ε_r tot diëlektrische constante van substraat en C tot parasitaire capaciteit (pF) van via.

De lengte van via in deze discussie is 0,96 mm met via diameter 0,3 mm, diameter van pad 0,5 mm en diëlektrische constante 4,2 waarmee de berekende parasitaire capaciteit wordt berekend op ongeveer 0,562 pF. Als het gaat om een ​​signaaltransmissielijn met een weerstand van 50Ω, zal deze via veranderingen in de stijgtijd van signalen veroorzaken met de veranderingshoeveelheid die wordt berekend door de volgende formule:

Op basis van de hierboven geïntroduceerde formule is de stijgende tijdsvariatie veroorzaakt door via-capaciteit 30,9 ps, wat 9 ps langer is dan het geteste resultaat (22 ps), wat aangeeft dat er een variatie optreedt tussen het theoretische resultaat en het praktische resultaat.

Concluderend, signaalvertraging veroorzaakt door via parasitaire capaciteit is niet zo voor de hand liggend. Wat betreft het ontwerpen van high-speed circuits, moet echter veel aandacht worden besteed aan laagconversie waarbij via's meervoudig worden toegepast bij het traceren.

Vergeleken met parasitaire capaciteit, leidt parasitaire inductantie die wordt gekenmerkt door via's tot meer schade aan het circuit. Parasitaire inductantie van via's kan worden berekend met de volgende formule:

In deze formule verwijst L naar parasitaire inductantie (nH) van via, h naar lengte (mm) van via en d naar via-diameter (mm). Equivalente impedantie opgewekt door via parasitaire inductantie kan worden berekend met de volgende formule:

De stijgtijd van testsignalen is 500ps en de equivalente impedantie is 4,28Ω. Maar de impedantieverandering als gevolg van via's bereikt meer dan 12Ω en het geeft aan dat de gemeten waarde extreme variatie vertoont met een in theorie berekende waarde.

Invloed van via-diameter op de continuïteit van de impedantie

Volgens een reeks experimenten kan worden geconcludeerd dat hoe groter de diameter van de via is, hoe meer discontinuïteit de via zal veroorzaken. In het hoogfrequente en snelle PCB-ontwerpproces wordt de impedantieverandering meestal geregeld binnen het bereik van ± 10%, of er wordt mogelijk signaalvervorming gegenereerd.

Invloed van padgrootte op impedantiecontinuïteit

Parasitaire capaciteit heeft een extreem grote invloed op resonantiepunten binnen de hoogfrequente signaalband en de bandbreedte zal last hebben van verschuiving samen met parasitaire capaciteit. Het leidende element dat de parasitaire capaciteit beïnvloedt, is de padgrootte die een gelijkwaardige invloed heeft op de signaalintegriteit. Dus, hoe groter de paddiameter is, de impedantiediscontinuïteit die het naar voren zal brengen.

Wanneer de paddiameter verandert binnen het bereik van 0,5 mm tot 1,3 mm, wordt de impedantiediscontinuïteit veroorzaakt door via's voortdurend verminderd. Wanneer de padgrootte toeneemt van 0,5 mm tot 0,7 mm, zal de impedantie een relatief grote veranderingsamplitude vertonen. Naarmate de grootte van de pad blijft toenemen, zal de via impedantieverandering soepeler worden. Daarom is de grotere paddiameter, hoe lager de discontinuïteit van de impedantie die door via's wordt opgewekt.

Retourpad voor via-signalen

Het basisprincipe van het stromen van het retoursignaal is dat de retoursignaalstroom met hoge snelheid langs het laagste inductantiepad loopt. Aangezien een printplaat meer dan één grondvlak bevat, loopt de retoursignaalstroom direct langs één pad onder de signaallijnen op het grondvlak dat zich het dichtst bij de signaallijn bevindt. Als het gaat om de situatie waarin alle signaalstromen van het ene punt naar het andere langs hetzelfde vlak stromen, als signalen van het ene punt naar het andere gaan via een via, zal de retoursignaalstroom niet kunnen springen wanneer de aardverbinding is ' niet bereikt.

In het high-speed PCB-ontwerp kan een retourpad worden verschaft via signaalstroom om mismatching van de impedantie te elimineren. Rond via kan aarding via worden ontworpen om een ​​retourpad te bieden voor signaalstroom met een inductantielus die wordt gegenereerd tussen signaal via en aarding via. Zelfs impedantiediscontinuïteit ontstaat door de invloed van via's, stroom kan naar inductantielus stromen met verbeterde signaalkwaliteit.

Signaalintegriteit van via's

S-parameters kunnen worden gebruikt om de invloed van via's op de signaalintegriteit te evalueren, die eigenschappen van alle ingrediënten in het kanaal vertegenwoordigen, inclusief verlies, verzwakking en reflectie enz. In overeenstemming met een reeks experimenten die in dit artikel zijn gebruikt, is aangegeven dat aarding via in staat is van het verminderen van transmissieverlies en hoe meer via's geaard worden rond via's, hoe lager het transmissieverlies zal zijn. Aarding via het toevoegen van via's is in staat om het verlies veroorzaakt door via's tot op zekere hoogte te verminderen.

Volgens de hierboven in dit artikel gedemonstreerde discussie kunnen twee conclusies worden getrokken:
a. Impedantiediscontinuïteit veroorzaakt door via's wordt beïnvloed door de diameter van de via en de padgrootte. Hoe groter de via-diameter en pad-diameter worden, hoe ernstiger de opgewekte impedantie-discontinuïteit zal zijn. Discontinuïteit van de impedantie veroorzaakt door via's neemt gewoonlijk af naarmate de padgrootte groter wordt.
b. Aarding vias-additie kan duidelijk verbeteren via impedantiediscontinuïteit die kan worden geregeld binnen het bereik van ± 10%. Bovendien kan het toevoegen van aarding vias ook de signaalintegriteit duidelijk verhogen.

Behoefte aan PCB-fabricageservice met strikte impedantiecontrole? PCBCart kan dat!

PCBCart is in staat om printplaten te vervaardigen met gecontroleerde impedantie volgens uw vereisten. Onze impedantietolerantie is van ± 5% tot ± 10%. Klik op de onderstaande knop om online PCB-fabricagekosten met impedantiecontrole te krijgen.

Handige bronnen
• Elementen die de karakteristieke impedantie van PCB's en oplossingen beïnvloeden
• Impedantiecontrole in PCB-ontwerp van snelle digitale schakelingen
• PCBCart biedt volledige PCB-productieservices
• PCB-ontwerp Bestandsvereisten voor efficiënte productie van printplaten
• Hoe een PCB-fabrikant of een PCB-assembleur te evalueren