Via-impedantie optimaliseren voor superieure signaalintegriteit in hoogfrequente PCB's

Via's spelen een rol als geleiders die sporen over verschillende lagen van een meervoudige PCB (Printed Circuit Board) verbinden. In het geval van lage frequentie, beïnvloeden via's de signaaltransmissie niet. Naarmate de frequentie stijgt (1 GHz en hoger) en de signaalflank steil wordt (maximaal 1 ns), kunnen via's niet meer simpel worden beschouwd als een functie van elektrische verbinding, maar moet de invloed van via's op signaalintegriteit zorgvuldig worden overwogen. Via's gedragen zich als onderbrekingspunten met discontinue impedantie op transmissielijn, wat signaalreflecties veroorzaakt. De problemen die via's met zich meebrengen, concentreren zich echter meer op parasitaire capaciteit en parasitaire inductie. De invloed van via-parasitaire capaciteit op de schakeling is voornamelijk het verlengen van de rijtijd van signalen en het verlagen van de draaisnelheid van de schakeling. Parasitaire inductie daarentegen kan de bijdrage van de bypass-schakeling verzwakken en de filterfunctie van het hele voedingssysteem verminderen. Dit artikel demonstreert hoe via-impedantiecontrole de signaalintegriteit beïnvloedt en biedt advies voor schakelingontwerp.

Invloed van via's op impedantie-continüiteit

Volgens TDR (time domain reflectometer) kurve bij aanwezigheid en afwezigheid van via, treedt duidelijke signaalvertraging op bij via-afwezigheid. Bij via-afwezigheid is de tijdsspanne van signaaltransmissie naar het tweede testgat 458 ps, terwijl die bij via-aanwezigheid 480 ps is. Dus via zorgt voor 22 ps vertraging.

Signaalvertraging resulteert voornamelijk uit parasitaire capaciteit van via's, berekend via de formule:

In deze formule: D₂ = pad-diameter (mm) op de massa, D₁ = pad-diameter (mm) van via, T = PCB-borddikte (mm), ε_r = dielektrische constante van substraat, C = parasitaire capaciteit (pF) van via.

De lengte van de via in deze discussie is 0,96 mm met via-diameter 0,3 mm, pad-diameter 0,5 mm en dielektrische constante 4,2. De berekende parasitaire capaciteit is ongeveer 0,562 pF. Bij een signaaltransmissielijn met weerstand van 50 Ω, zal deze via veranderingen in rijtijd van signalen veroorzaken, berekend met:

Op basis van de formule is de rijtijdvariatie 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 theoretisch en praktisch resultaat.

Concluderend: signaalvertraging door via-parasitaire capaciteit is niet zo duidelijk. Voor hoogssnelheidsschakelingontwerp moet echter grote aandacht worden besteed aan laagconversie met via's die meervoudig in routing worden toegepast.

Vergeleken met parasitaire capaciteit, leidt parasitaire inductie van via's tot meer schade aan de schakeling. Parasitaire inductie van via's kan berekend worden met:

In deze formule: L = parasitaire inductie (nH) van via, h = lengte (mm) van via, d = via-diameter (mm). Equivalente impedantie opgewekt door via-parasitaire inductie:

Rijtijd van testsignalen is 500 ps en de equivalente impedantie is 4,28 Ω. De impedantieverandering als gevolg van via's bereikt echter meer dan 12 Ω, wat aangeeft dat de gemeten waarde extreme variatie vertoont met de theoretisch berekende waarde.

Invloed van via-diameter op impedantie-continüiteit

Op basis van een reeks experimenten kan geconcludeerd worden: hoe groter de via-diameter, hoe meer discontinueïteit de via zal veroorzaken. In hoogfrequente en hoogssnelheid PCB-ontwerpproces wordt impedantieverandering meestal gecontroleerd binnen het bereik van ±10%, anders is signaaldistorsie mogelijk.

Invloed van pad-grootte op impedantie-continüiteit

Parasitaire capaciteit heeft extreme invloed op resonantiepunten binnen hoogfrequent signaalband en bandbreedte zal verschuiven samen met parasitaire capaciteit. Het leidende element dat parasitaire capaciteit beïnvloedt, is pad-grootte met equivalent effect op signaalintegriteit. Hoe hoger de pad-diameter, des te meer impedantiediscontinuïteit zal worden voortgebracht.

Wanneer pad-diameter verandert binnen het bereik van 0,5 mm tot 1,3 mm, zal impedantiediscontinuïteit door via's constant verminderd worden. Wanneer pad-grootte stijgt van 0,5 mm tot 0,7 mm, zal impedantie relatief grote veranderingamplitude vertonen. Naarmate pad-grootte blijft stijgen, wordt via-impedantieverandering glad. Daarom: hoe groter de pad-diameter, des te lager de impedantiediscontinuïteit die door via's wordt gewekt.

Terugkeerpad voor via-signalen

Basisprincipe van terugkeerstroom is dat hoogssnelheid terugkeerstroom loopt langs het pad met laagste inductie. Aangezien een PCB-bord meer dan één massavlak bevat, loopt terugkeerstroom direct langs één pad onder signaallijnen op het massavlak dat het dichtst bij de signaallijn ligt. Wanneer alle signaalstromen van één punt naar een ander langs hetzelfde vlak vloeien, als signalen gedwongen worden om van één punt naar een ander via een via te gaan, kan terugkeerstroom niet springen wanneer massa-verbinding niet bereikt is.

In hoogssnelheid PCB-ontwerp kan terugkeerpad aan via-signaalstroom worden geboden om impedantiemismatch te elimineren. Rond de via kan een massa-via worden ontworpen om terugkeerpad voor signaalstroom te bieden met een inductielus gegenereerd tussen signaal-via en massa-via. Zelfs als impedantiediscontinuïteit ontstaat door invloed van via's, kan stroom vloeien naar de inductielus met verbeterde signaalqualiteit.

Signaalintegriteit van via's

S-parameters kunnen gebruikt worden om de invloed van via's op signaalintegriteit te evalueren, wat eigenschappen van alle ingrediënten in het kanaal vertegenwoordigt, inclusief verlies, demping en reflectie. Op basis van een reeks experimenten in dit artikel, wordt aangegeven dat massa-via in staat is transmissieverlies te verminderen en hoe meer massa-via's rond via's, des te lager het transmissieverlies. Het toevoegen van massa-via's rond via's kan het verlies door via's tot een mate verminderen.

Volgens de bespreking in dit artikel kunnen twee conclusies worden getrokken:
a. Impedantiediscontinuïteit door via's wordt beïnvloed door via-diameter en pad-grootte. Hoe groter via-diameter en pad-diameter, des te ernstiger de gewekte impedantiediscontinuïteit. Impedantiediscontinuïteit door via's daalt meestal naarmate pad-grootte stijgt.
b. Het toevoegen van massa-via's kan de via-impedantiediscontinuïteit duidelijk verbeteren, te controleren binnen ±10%. Bovendien kan het toevoegen van massa-via's de signaalintegriteit duidelijk verhogen.

Heeft u PCB-fabricageservice met strikte impedantiecontrole nodig? PCBCart kan dat!

PCBCart is in staat om printplaten met gecontroleerde impedantie te fabriceren volgens uw vereisten. Onze impedantietolerantie ligt tussen ±5% en ±10%. Klik op de onderstaande knop om online PCB-fabricagekosten met impedantiecontrole op te vragen.

Nuttige bronnen

• Elementen die karakteristieke impedantie van PCB beïnvloeden en oplossingen
• Impedantiecontrole in PCB-ontwerp van hoogssnelheids digitale schakeling
• PCBCart biedt volledige PCB-fabricageservices
• PCB-ontwerpbestandseisen voor efficiënte printplaatfabricage
• Hoe een PCB-fabrikant of PCB-assembleur te evalueren