Vias spielen eine Rolle als Leiter, die Leiterbahnen über verschiedene Schichten einesmehrlagige Leiterplatte(Leiterplatte). Bei niedrigen Frequenzen beeinflussen Vias die Signalübertragung nicht. Mit steigender Frequenz (über 1 GHz) und steiler werdender Signalflanke (bis zu 1 ns) können Vias jedoch nicht mehr einfach nur als elektrische Verbindungsfunktion betrachtet werden; der Einfluss der Vias auf die Signalintegrität muss sorgfältig berücksichtigt werden. Vias verhalten sich als Unterbrechungspunkte mit diskontinuierlicher Impedanz auf der Übertragungsleitung und verursachen Signalreflexionen. Die durch Vias verursachten Probleme konzentrieren sich jedoch stärker auf parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Der Einfluss der parasitären Via-Kapazität auf die Schaltung besteht in erster Linie darin, die Anstiegszeit der Signale zu verlängern und die Laufgeschwindigkeit der Schaltung zu verringern. Die parasitäre Induktivität hingegen kann den Beitrag des Bypass-Kreises abschwächen und die Filterfunktion des gesamten Stromversorgungssystems reduzieren. Dieser Artikel wird aufzeigen, wie die Impedanzkontrolle von Vias die Signalintegrität beeinflusst und einige Ratschläge für das Schaltungsdesign geben.
Einfluss von Vias auf die Impedanzkontinuität
Gemäß der TDR-Kurve (Time Domain Reflectometer) zum Zeitpunkt mit und ohne Via tritt im Fall ohne Via eine deutliche Signallaufzeitverzögerung auf. Im Fall ohne Via beträgt die Zeitspanne der Signalübertragung bis zum zweiten Testloch 458 ps, während sie im Fall mit Via 480 ps beträgt. Somit führt das Via zu einer Signalverzögerung von 22 ps.
Die Signallaufzeitverzögerung resultiert hauptsächlich aus der parasitären Kapazität der Vias, die mit der folgenden Formel berechnet wird:
In dieser Formel ist D2bezieht sich auf den Pad-Durchmesser (mm) auf dem Boden,D1zum Pad-Durchmesser (mm) der Durchkontaktierung,Tzur Leiterplattendicke (mm),εrzur Dielektrizitätskonstante des Substrats undCzur parasitären Kapazität (pF) der Durchkontaktierung.
Die Länge der Durchkontaktierung in dieser Diskussion beträgt 0,96 mm bei einem Durchkontaktierungsdurchmesser von 0,3 mm, einem Pad-Durchmesser von 0,5 mm und einer Dielektrizitätskonstante von 4,2, die in die oben genannte Formel eingeht. Die berechnete parasitäre Kapazität ergibt sich zu ungefähr 0,562 pF. Bei einer Signalleitung mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω führt diese Durchkontaktierung zu Änderungen der Anstiegszeit der Signale, wobei die Änderungsgröße durch die folgende Formel bestimmt wird:
Basierend auf der oben eingeführten Formel beträgt die durch die Via-Kapazität verursachte Anstiegszeitvariation 30,9 ps, was 9 ps länger ist als das Testergebnis (22 ps). Dies zeigt an, dass eine Abweichung zwischen dem theoretischen Ergebnis und dem praktischen Ergebnis auftritt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Signallaufzeitverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität von Vias verursacht wird, nicht so offensichtlich ist. In Bezug auf das Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign sollte jedoch besonders auf Lagenwechsel geachtet werden, bei denen Vias mehrfach in Leiterbahnen eingesetzt werden.
Im Vergleich zur parasitären Kapazität verursacht die durch Vias bedingte parasitäre Induktivität größeren Schaden an der Schaltung. Die parasitäre Induktivität von Vias kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
In dieser Formel,Lbezieht sich auf die parasitäre Induktivität (nH) der Durchkontaktierung,hzur Länge (mm) der Durchkontaktierung unddüber die Via-Durchmesser (mm). Die durch die parasitäre Induktivität der Vias hervorgerufene äquivalente Impedanz kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Die Anstiegszeit der Prüfsignale beträgt 500 ps und ihre äquivalente Impedanz liegt bei 4,28 Ω. Doch die durch Vias verursachte Impedanzänderung übersteigt 12 Ω, was darauf hinweist, dass der gemessene Wert extreme Abweichungen vom theoretisch berechneten Wert aufweist.
Einfluss des Viasdurchmessers auf die Impedanzkontinuität
In Übereinstimmung mit einer Reihe von Experimenten kann gefolgert werden, dass ein größerer Via-Durchmesser zu einer stärkeren Diskontinuität des Vias führt. InHochfrequenz- und HochgeschwindigkeitsleiterplatteIm Designprozess wird die Impedanzänderung üblicherweise im Bereich von ±10 % gehalten, da sonst möglicherweise Signalverzerrungen entstehen.
Einfluss der Padgröße auf die Impedanzkontinuität
Die parasitäre Kapazität hat einen äußerst großen Einfluss auf die Resonanzpunkte im Hochfrequenz-Signalband, und die Bandbreite wird sich zusammen mit der parasitären Kapazität verschieben. Das Hauptelement, das die parasitäre Kapazität beeinflusst, ist die Pad-Größe, die einen entsprechenden Einfluss auf die Signalintegrität hat. Daher gilt: Je größer der Pad-Durchmesser ist, desto stärker ist die Impedanzdiskontinuität, die er verursacht.
Wenn sich der Pad-Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 1,3 mm ändert, wird die durch Vias verursachte Impedanzdiskontinuität kontinuierlich verringert. Wenn die Pad-Größe von 0,5 mm auf 0,7 mm zunimmt, weist die Impedanz eine relativ große Änderungsamplitude auf. Mit weiter zunehmender Pad-Größe wird die Impedanzänderung des Vias gleichmäßiger. Daher gilt: Je größer der Pad-Durchmesser ist, desto geringer ist die durch Vias verursachte Impedanzdiskontinuität.
Rückweg für Via-Signale
Das grundlegende Prinzip des Rückflusses von Signalen besteht darin, dass der hochfrequente Rückstrom den Weg mit der geringsten Induktivität nimmt. Da eine Leiterplatte mehr als eine Massefläche enthält, fließt der Rückstrom direkt entlang eines Pfads unterhalb der Signalleitungen auf der Massefläche, die der Signalleitung am nächsten liegt. In dem Fall, dass alle Signalströme von einem Punkt zu einem anderen über dieselbe Ebene fließen, kann der Rückstrom nicht „springen“, wenn die Masseverbindung nicht hergestellt ist, sobald die Signale über eine Durchkontaktierung von einem Punkt zu einem anderen geführt werden.
Im High-Speed-PCB-Design kann ein Rückstrompfad für den Signalleitungsstrom über Vias bereitgestellt werden, um Impedanzfehlanpassungen zu eliminieren. Rund um das Signalvia können Massevias platziert werden, um einen Rückstrompfad für den Signalleitungsstrom bereitzustellen, wobei eine Induktivitätsschleife zwischen Signalvia und Massevia entsteht. Selbst wenn aufgrund des Einflusses der Vias eine Impedanzdiskontinuität auftritt, kann der Strom in die Induktivitätsschleife fließen, wodurch die Signalqualität verbessert wird.
Signalintegrität von Vias
S‑Parameter können verwendet werden, um den Einfluss von Vias auf die Signalintegrität zu bewerten; sie repräsentieren die Eigenschaften aller Bestandteile im Kanal, einschließlich Verlust, Dämpfung und Reflexion usw. Entsprechend einer Reihe von Experimenten, die in diesem Artikel herangezogen werden, zeigt sich, dass ein Masse‑Via in der Lage ist, die Übertragungsverluste zu verringern, und je mehr Masse‑Vias sich um Vias herum befinden, desto geringer werden die Übertragungsverluste sein. Das Hinzufügen von Masse‑Vias um Vias herum kann die durch Vias verursachten Verluste bis zu einem gewissen Grad reduzieren.
Gemäß der oben in diesem Artikel dargestellten Diskussion lassen sich zwei Schlussfolgerungen ziehen:
a.Die durch Vias verursachte Impedanzdiskontinuität wird von ihrem Durchmesser und der Pad-Größe beeinflusst. Je größer der Via-Durchmesser und der Pad-Durchmesser werden, desto stärker wird die hervorgerufene Impedanzdiskontinuität. Die durch Vias verursachte Impedanzdiskontinuität nimmt in der Regel ab, wenn die Pad-Größe zunimmt.
b.Das Hinzufügen von Massevias ist in der Lage, die Impedanzdiskontinuität der Vias deutlich zu verbessern, die innerhalb eines Bereichs von ±10 % kontrolliert werden kann. Darüber hinaus kann das Hinzufügen von Massevias auch die Signalintegrität deutlich erhöhen.
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