Les vias jouent un rôle de conducteurs reliant les pistes entre différentes couches d’unPCB multicouche(Circuit imprimé). Dans le cas de basses fréquences, les vias n’affectent pas la transmission du signal. Cependant, lorsque la fréquence augmente (au‑delà de 1 GHz) et que le front montant du signal devient abrupt (au plus 1 ns), les vias ne peuvent plus être simplement considérés comme une fonction de connexion électrique ; il faut alors prendre soigneusement en compte l’influence des vias sur l’intégrité du signal. Les vias se comportent comme des points de rupture présentant une impédance discontinue sur la ligne de transmission, provoquant des réflexions de signal. Néanmoins, les problèmes causés par les vias se concentrent davantage sur la capacité parasite et l’inductance parasite. L’influence de la capacité parasite des vias sur le circuit consiste principalement à prolonger le temps de montée des signaux et à réduire la vitesse de fonctionnement du circuit. L’inductance parasite, quant à elle, peut affaiblir la contribution du circuit de dérivation et diminuer la fonction de filtrage de l’ensemble du système d’alimentation. Cet article montrera comment le contrôle de l’impédance des vias affecte l’intégrité du signal et fournira quelques conseils sur la conception de circuits.
Influence des vias sur la continuité d’impédance
Selon la courbe TDR (réflectomètre temporel) dans les cas avec et sans via, un retard de signal évident se produit en l’absence de via. En l’absence de via, la durée de transmission du signal jusqu’au deuxième trou de test est de 458 ps, tandis qu’elle est de 480 ps en présence de via. Ainsi, le via entraîne un retard du signal de 22 ps.
Le retard de signal résulte principalement de la capacité parasite des vias, qui est déterminée à l’aide de la formule ci-dessous :
Dans cette formule, D2fait référence au diamètre du patin (mm) au sol,D1au diamètre de pastille (mm) du via,Tà l’épaisseur de la carte PCB (mm),εrà la constante diélectrique du substrat etCà la capacité parasite (pF) du via.
La longueur du via dans cette discussion est de 0,96 mm avec un diamètre de via de 0,3 mm, un diamètre de pastille de 0,5 mm et une constante diélectrique de 4,2, qui sont utilisés dans la formule mentionnée ci-dessus ; la capacité parasite calculée est d’environ 0,562 pF. Pour une ligne de transmission de signal avec une résistance de 50 Ω, ce via entraînera des variations du temps de montée des signaux, la valeur de cette variation étant déterminée par la formule suivante :
Sur la base de la formule présentée ci-dessus, la variation du temps de montée causée par la capacité du via est de 30,9 ps, soit 9 ps de plus que le résultat mesuré (22 ps), ce qui indique qu’une différence existe entre le résultat théorique et le résultat pratique.
En conclusion, le retard de signal causé par la capacité parasite des vias n’est pas si évident. Cependant, en ce qui concerne la conception de circuits à haute vitesse, une attention particulière doit être portée notamment aux changements de couche lorsque de multiples vias sont utilisés dans le routage.
Comparée à la capacité parasite, l’inductance parasite des vias cause davantage de dommages au circuit. L’inductance parasite des vias peut être déterminée par la formule suivante :
Dans cette formule,Lfait référence à l’inductance parasite (nH) du via,hà la longueur (mm) du via etdau diamètre du via (mm). L’impédance équivalente provoquée par l’inductance parasite du via peut être calculée à l’aide de la formule suivante :
Le temps de montée des signaux de test est de 500 ps et leur impédance équivalente est de 4,28 Ω. Cependant, la variation d’impédance due aux vias dépasse 12 Ω, ce qui indique que la valeur mesurée présente un écart extrême par rapport à la valeur calculée théoriquement.
Influence du diamètre de via sur la continuité d’impédance
Conformément à une série d’expériences, on peut conclure que plus le diamètre du via est grand, plus le via provoquera de discontinuités.PCB haute fréquence et haute vitesseDans le processus de conception, la variation d’impédance est généralement contrôlée dans une plage de ±10 %, faute de quoi une distorsion du signal peut être générée.
Influence de la taille du plot sur la continuité d’impédance
La capacité parasite exerce une influence extrêmement importante sur les points de résonance dans la bande de signaux haute fréquence, et la largeur de bande subira un décalage en fonction de la capacité parasite. Le principal élément affectant la capacité parasite est la taille du plot, qui exerce une influence équivalente sur l’intégrité du signal. Ainsi, plus le diamètre du plot est élevé, plus la discontinuité d’impédance qu’il engendrera sera importante.
Lorsque le diamètre du pad varie dans la plage de 0,5 mm à 1,3 mm, la discontinuité d’impédance causée par les vias est constamment réduite. Lorsque la taille du pad augmente de 0,5 mm à 0,7 mm, l’impédance présente une amplitude de variation relativement importante. À mesure que la taille du pad continue d’augmenter, la variation d’impédance du via devient plus régulière. Par conséquent, plus le diamètre du pad est grand, plus la discontinuité d’impédance provoquée par les vias est faible.
Chemin de retour pour les signaux Via
Le principe de base de l’écoulement du signal de retour est que le courant de retour à haute vitesse circule le long du chemin présentant la plus faible inductance. Étant donné qu’une carte PCB contient plus d’un plan de masse, le courant de retour du signal circule directement le long d’un chemin situé sous les lignes de signal, sur le plan de masse le plus proche de la ligne de signal. Dans le cas où tous les courants de signal d’un point à un autre circulent sur le même plan, si les signaux sont amenés à passer d’un point à un autre au moyen d’un via, le courant de retour du signal ne pourra pas effectuer de saut si la connexion de masse n’est pas réalisée.
Dans la conception de circuits imprimés à haute vitesse, un chemin de retour peut être fourni au courant du signal traversant le via afin d’éliminer le désaccord d’impédance. Autour du via, des vias de masse peuvent être conçus pour offrir un chemin de retour au courant du signal, un anneau d’inductance étant généré entre le via de signal et le via de masse. Même si une discontinuité d’impédance apparaît en raison de l’influence des vias, le courant pourra circuler dans l’anneau d’inductance, ce qui améliore la qualité du signal.
Intégrité du signal des vias
Les paramètres S peuvent être utilisés pour évaluer l’influence des vias sur l’intégrité du signal, en représentant les propriétés de tous les éléments du canal, y compris la perte, l’atténuation et la réflexion, etc. Conformément à une série d’expériences exploitées dans cet article, il est indiqué qu’un via de mise à la masse est capable de réduire la perte de transmission et que plus il y a de vias de masse autour des vias, plus la perte de transmission sera faible. L’ajout de vias de masse autour des vias est capable de diminuer, dans une certaine mesure, la perte causée par ces vias.
Selon la discussion présentée ci-dessus dans cet article, deux conclusions peuvent être tirées :
a.La discontinuité d’impédance causée par les vias est influencée par le diamètre du via et la taille du pad. Plus le diamètre du via et le diamètre du pad augmentent, plus la discontinuité d’impédance engendrée sera importante. La discontinuité d’impédance causée par les vias diminue généralement à mesure que la taille du pad augmente.
b.L’ajout de vias de mise à la masse permet d’améliorer de manière évidente la discontinuité d’impédance des vias, laquelle peut être contrôlée dans une plage de ±10 %. De plus, l’ajout de vias de mise à la masse peut également augmenter de façon notable l’intégrité du signal.
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