Los orificios metalizados desempeñan un papel como conductores que conectan las pistas a través de diferentes capas de unaPCB multicapa(Placa de circuito impreso). En el caso de baja frecuencia, las vías no afectan la transmisión de la señal. Sin embargo, a medida que la frecuencia aumenta (por encima de 1 GHz) y el flanco de subida de la señal se vuelve pronunciado (1 ns como máximo), las vías ya no pueden considerarse simplemente como una función de conexión eléctrica, sino que debe tenerse en cuenta cuidadosamente la influencia de las vías sobre la integridad de la señal. Las vías se comportan como puntos de ruptura con impedancia discontinua en la línea de transmisión, lo que provoca reflexiones de señal. No obstante, los problemas que generan las vías se concentran más en la capacitancia parasitaria y la inductancia parasitaria. La influencia de la capacitancia parasitaria de la vía en el circuito consiste principalmente en prolongar el tiempo de subida de las señales y reducir la velocidad de funcionamiento del circuito. La inductancia parasitaria, en cambio, puede debilitar la contribución del circuito de derivación y disminuir la función de filtrado de todo el sistema de alimentación. Este artículo mostrará cómo el control de la impedancia de las vías afecta la integridad de la señal y proporcionará algunos consejos sobre el diseño de circuitos.
Influencia de los Vías en la Continuidad de la Impedancia
Según la curva TDR (reflectómetro en el dominio del tiempo) en los momentos con y sin vía, se produce un retraso de señal evidente en la situación sin vía. En el caso de ausencia de vía, el intervalo de tiempo de transmisión de la señal hasta el segundo orificio de prueba es de 458 ps, mientras que en el caso de presencia de vía el tiempo de transmisión de la señal hasta el segundo orificio de prueba es de 480 ps. Por lo tanto, la vía provoca un retraso de la señal de 22 ps.
El retardo de la señal se debe principalmente a la capacitancia parásita de los orificios metalizados, que se calcula mediante la siguiente fórmula:
En esta fórmula, D2se refiere al diámetro de la almohadilla (mm) en el suelo,D1al diámetro del pad (mm) del vía,Tal grosor de la placa PCB (mm),εra la constante dieléctrica del sustrato yCa la capacitancia parasitaria (pF) del vía.
La longitud del vía en esta discusión es de 0,96 mm con un diámetro de vía de 0,3 mm, un diámetro de pad de 0,5 mm y una constante dieléctrica de 4,2, con lo cual, utilizando la fórmula mencionada anteriormente, la capacitancia parásita calculada resulta ser aproximadamente 0,562 pF. Cuando se trata de una línea de transmisión de señal con una resistencia de 50 Ω, este vía provocará cambios en el tiempo de subida de las señales, con la magnitud del cambio determinada por la siguiente fórmula:
Según la fórmula presentada anteriormente, la variación del tiempo de subida causada por la capacitancia del vía es de 30,9 ps, lo que es 9 ps más larga que el resultado medido (22 ps), lo que indica que sí existe una variación entre el resultado teórico y el resultado práctico.
En conclusión, el retardo de la señal causado por la capacitancia parásita de los orificios pasantes no es tan evidente. Sin embargo, en lo que respecta al diseño de circuitos de alta velocidad, se debe prestar mucha atención especialmente a la conversión de capas cuando se aplican múltiples orificios pasantes en el ruteo.
En comparación con la capacitancia parasitaria, la inductancia parasitaria característica de los orificios metalizados provoca más daños en el circuito. La inductancia parasitaria de los orificios metalizados puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
En esta fórmula,Lse refiere a la inductancia parasitaria (nH) del vía,ha la longitud (mm) del vía ydal diámetro del vía (mm). La impedancia equivalente generada por la inductancia parasitaria del vía puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
El tiempo de subida de las señales de prueba es de 500 ps y su impedancia equivalente es de 4,28 Ω. Pero el cambio de impedancia como resultado de los orificios pasantes supera los 12 Ω, lo que indica que el valor medido presenta una variación extrema con respecto al valor calculado teóricamente.
Influencia del diámetro de la vía en la continuidad de la impedancia
De acuerdo con una serie de experimentos, se puede concluir que cuanto mayor es el diámetro del vía, mayor discontinuidad causará el vía. EnPCB de alta frecuencia y alta velocidadEn el proceso de diseño, el cambio de impedancia suele controlarse dentro del rango de ±10%, o posiblemente se generará distorsión de la señal.
Influencia del tamaño de la almohadilla en la continuidad de la impedancia
La capacitancia parasitaria ejerce una influencia extremadamente grande sobre los puntos de resonancia dentro de la banda de señales de alta frecuencia, y el ancho de banda sufrirá un desplazamiento junto con la capacitancia parasitaria. El principal elemento que afecta a la capacitancia parasitaria es el tamaño del pad, que ejerce una influencia equivalente sobre la integridad de la señal. Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro del pad, mayor será la discontinuidad de impedancia que provocará.
Cuando el diámetro del pad cambia dentro del rango de 0,5 mm a 1,3 mm, la discontinuidad de impedancia causada por los vías se reduce de forma constante. Cuando el tamaño del pad aumenta de 0,5 mm a 0,7 mm, la impedancia presentará una amplitud de cambio relativamente grande. A medida que el tamaño del pad sigue aumentando, el cambio de impedancia del vía se vuelve más suave. Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro del pad, menor será la discontinuidad de impedancia provocada por los vías.
Ruta de retorno para señales de vía
El principio básico del flujo de la señal de retorno es que la corriente de retorno de alta velocidad circula a lo largo del camino de menor inductancia. Dado que una placa PCB contiene más de un plano de tierra, la corriente de retorno de la señal circula directamente a lo largo de una trayectoria situada debajo de las líneas de señal, en el plano de tierra que está más cercano a la línea de señal. Cuando se da la situación en la que todas las corrientes de señal de un punto a otro fluyen a lo largo del mismo plano, si se hace que las señales vayan de un punto a otro a través de una vía, la corriente de retorno de la señal no podrá saltar cuando no se logra la conexión a tierra.
En el diseño de PCB de alta velocidad, se puede proporcionar una ruta de retorno a la corriente de la señal del vía para eliminar el desajuste de impedancia. Alrededor del vía, se pueden diseñar vías de puesta a tierra para proporcionar una ruta de retorno para la corriente de señal, generándose un lazo de inductancia entre el vía de señal y el vía de tierra. Aunque se produzca una discontinuidad de impedancia debido a la influencia de los vías, la corriente podrá fluir hacia el lazo de inductancia, mejorando la calidad de la señal.
Integridad de señal de los vías
Los parámetros S pueden utilizarse para evaluar la influencia de los orificios metalizados (vias) en la integridad de la señal, representando las propiedades de todos los elementos del canal, incluyendo pérdida, atenuación y reflexión, etc. De acuerdo con una serie de experimentos aprovechados en este artículo, se indica que el via de puesta a tierra es capaz de reducir la pérdida de transmisión y que, cuanto más vias de puesta a tierra haya alrededor de los vias, menor será la pérdida de transmisión. La adición de vias de puesta a tierra alrededor de los vias es capaz de disminuir, hasta cierto punto, la pérdida causada por los vias.
De acuerdo con el análisis expuesto anteriormente en este artículo, se pueden extraer dos conclusiones:
a.La discontinuidad de impedancia causada por los orificios pasantes (vias) se ve afectada por el diámetro del via y el tamaño del pad. Cuanto mayores sean el diámetro del via y el diámetro del pad, más grave será la discontinuidad de impedancia generada. La discontinuidad de impedancia causada por los vias generalmente disminuye a medida que aumenta el tamaño del pad.
b.La adición de vías de puesta a tierra es capaz de mejorar de manera evidente la discontinuidad de impedancia de las vías, la cual puede controlarse dentro de un rango de ±10%. Además, la adición de vías de puesta a tierra también puede aumentar de forma evidente la integridad de la señal.
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