I via svolgono un ruolo di conduttori che collegano le tracce tra i diversi strati di unPCB multistrato(Scheda a Circuito Stampato). Nel caso di bassa frequenza, i via non influenzano la trasmissione del segnale. Con l’aumento della frequenza (sopra 1 GHz) e con fronti di salita del segnale più ripidi (al massimo 1 ns), tuttavia, i via non possono essere semplicemente considerati come un elemento di connessione elettrica, ma occorre valutare con attenzione l’influenza dei via sull’integrità del segnale. I via si comportano come punti di discontinuità con impedenza non continua sulla linea di trasmissione, causando riflessioni del segnale. Tuttavia, i problemi causati dai via si concentrano maggiormente sulla capacità parassita e sull’induttanza parassita. L’influenza della capacità parassita del via sul circuito consiste principalmente nel prolungare il tempo di salita dei segnali e nel ridurre la velocità di funzionamento del circuito. L’induttanza parassita, invece, può indebolire il contributo del circuito di bypass e ridurre la funzione di filtraggio dell’intero sistema di alimentazione. Questo articolo mostrerà come il controllo dell’impedenza dei via influisca sull’integrità del segnale e fornirà alcuni consigli sulla progettazione del circuito.
Influenza delle vias sulla continuità dell’impedenza
Secondo la curva TDR (time domain reflectometer) nei casi di presenza e assenza del via, si verifica un evidente ritardo del segnale nella situazione di assenza del via. Nel caso di assenza del via, l’intervallo di tempo della trasmissione del segnale fino al secondo foro di test è di 458 ps, mentre nel caso di presenza del via l’intervallo di tempo della trasmissione del segnale fino al secondo foro di test è di 480 ps. Pertanto, il via provoca un ritardo del segnale di 22 ps.
Il ritardo del segnale deriva principalmente dalla capacità parassita dei via, che viene determinata tramite la seguente formula:
In questa formula, D2si riferisce al diametro del pad (mm) a terra,D1al diametro del pad (mm) del via,Tallo spessore della scheda PCB (mm),εralla costante dielettrica del substrato eCalla capacità parassita (pF) del via.
La lunghezza del via in questa discussione è 0,96 mm con un diametro del via di 0,3 mm, un diametro del pad di 0,5 mm e una costante dielettrica di 4,2 con cui, inseriti nella formula menzionata sopra, la capacità parassita calcolata risulta essere approssimativamente 0,562 pF. Quando si tratta di una linea di trasmissione del segnale con una resistenza di 50 Ω, questo via causerà variazioni nel tempo di salita dei segnali con l’entità della variazione determinata dalla seguente formula:
In base alla formula introdotta sopra, la variazione del tempo di salita causata dalla capacità del via è di 30,9 ps, ovvero 9 ps più lunga del risultato misurato (22 ps), indicando che si verifica effettivamente una variazione tra il risultato teorico e quello pratico.
In conclusione, il ritardo del segnale causato dalla capacità parassita delle vias non è così evidente. Tuttavia, per quanto riguarda la progettazione di circuiti ad alta velocità, è necessario prestare grande attenzione in particolare alle conversioni di strato in cui le vias vengono applicate più volte nel tracciamento.
Rispetto alla capacità parassita, l’induttanza parassita caratteristica dei via provoca danni maggiori al circuito. L’induttanza parassita dei via può essere calcolata con la seguente formula:
In questa formula,Lsi riferisce all'induttanza parassita (nH) del via,halla lunghezza (mm) del via edal diametro del via (mm). L’impedenza equivalente generata dall’induttanza parassita del via può essere calcolata con la seguente formula:
Il tempo di salita dei segnali di test è di 500 ps e la loro impedenza equivalente è di 4,28 Ω. Tuttavia, la variazione di impedenza dovuta ai via supera i 12 Ω, il che indica che il valore misurato presenta una variazione estrema rispetto al valore calcolato teoricamente.
Influenza del diametro del via sulla continuità dell’impedenza
In conformità con una serie di esperimenti, si può concludere che quanto maggiore è il diametro del via, tanto più discontinuità il via causerà. InPCB ad alta frequenza e ad alta velocitàNel processo di progettazione, la variazione di impedenza è solitamente controllata entro l’intervallo di ±10%, altrimenti è possibile che si generi una distorsione del segnale.
Influenza delle dimensioni del pad sulla continuità dell’impedenza
La capacità parassita esercita un’influenza estremamente rilevante sui punti di risonanza all’interno della banda di segnali ad alta frequenza e la larghezza di banda subirà uno spostamento insieme alla capacità parassita. L’elemento principale che influisce sulla capacità parassita è la dimensione del pad, che esercita un’influenza equivalente sull’integrità del segnale. Pertanto, maggiore è il diametro del pad, maggiore sarà la discontinuità di impedenza che ne deriverà.
Quando il diametro del pad varia nell’intervallo da 0,5 mm a 1,3 mm, la discontinuità di impedenza causata dai via viene costantemente ridotta. Quando la dimensione del pad aumenta da 0,5 mm a 0,7 mm, l’impedenza presenterà una variazione di ampiezza relativamente elevata. Con il continuo aumento della dimensione del pad, la variazione di impedenza del via diventerà graduale. Pertanto, quanto maggiore è il diametro del pad, tanto minore sarà la discontinuità di impedenza provocata dai via.
Percorso di ritorno per i segnali via
Il principio di base del flusso del segnale di ritorno è che la corrente di ritorno ad alta velocità scorre lungo il percorso a più bassa induttanza. Poiché un circuito stampato contiene più di un piano di massa, la corrente di ritorno scorre direttamente lungo un percorso al di sotto delle linee di segnale, sul piano di massa che è più vicino alla linea di segnale. Nel caso in cui tutte le correnti di segnale da un punto a un altro scorrano lungo lo stesso piano, se i segnali vengono fatti passare da un punto a un altro attraverso una via, la corrente di ritorno del segnale non sarà in grado di “saltare” quando non è presente una connessione di massa.
Nel progetto di PCB ad alta velocità, è possibile fornire un percorso di ritorno alla corrente del segnale del via per eliminare il disadattamento di impedenza. Attorno al via, si possono progettare dei via di massa per fornire un percorso di ritorno alla corrente del segnale, con un anello di induttanza generato tra il via di segnale e il via di massa. Anche se si genera una discontinuità di impedenza a causa dell’influenza dei via, la corrente potrà fluire verso l’anello di induttanza, migliorando la qualità del segnale.
Integrità del segnale dei vias
I parametri S possono essere utilizzati per valutare l’influenza dei via sull’integrità del segnale, rappresentando le proprietà di tutti gli elementi del canale, inclusi perdita, attenuazione e riflessione, ecc. In accordo con una serie di esperimenti sfruttati in questo articolo, si indica che il via di messa a terra è in grado di ridurre la perdita di trasmissione e che, quanto più numerosi sono i via di messa a terra attorno ai via, tanto minore sarà la perdita di trasmissione. L’aggiunta di via di messa a terra attorno ai via è in grado di ridurre, in una certa misura, la perdita causata dai via.
Secondo la discussione illustrata sopra in questo articolo, si possono trarre due conclusioni:
a.La discontinuità di impedenza causata dai via è influenzata dal diametro del via e dalla dimensione del pad. Più aumentano il diametro del via e il diametro del pad, più grave sarà la discontinuità di impedenza generata. La discontinuità di impedenza causata dai via di solito diminuisce all’aumentare della dimensione del pad.
b.L’aggiunta di vias di messa a terra è in grado di migliorare in modo evidente la discontinuità di impedenza dei vias, che può essere controllata entro un intervallo di ±10%. Inoltre, l’aggiunta di vias di messa a terra può anche aumentare in modo evidente l’integrità del segnale.
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