รูผ่านมีบทบาทเป็นตัวนำที่เชื่อมต่อรอยวงจรข้ามระหว่างชั้นต่าง ๆ ของแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น(แผงวงจรพิมพ์). ในกรณีความถี่ต่ำ via จะไม่ส่งผลต่อการส่งสัญญาณ เมื่อความถี่เพิ่มสูงขึ้น (เหนือ 1GHz) และขอบสัญญาณขาขึ้นชันมาก (สูงสุดประมาณ 1ns) อย่างไรก็ตาม via ไม่สามารถมองได้เพียงแค่เป็นฟังก์ชันของการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงอิทธิพลของ via ต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณด้วย via ทำหน้าที่เสมือนจุดแบ่งที่มีอิมพีแดนซ์ไม่ต่อเนื่องบนสายส่ง ทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่เกิดจาก via จะเน้นไปที่ค่าพาราซิติกของความจุไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำเป็นหลัก อิทธิพลของค่าพาราซิติกความจุไฟฟ้าของ via ต่อวงจรคือทำให้เวลาขาขึ้นของสัญญาณยาวนานขึ้น และลดความเร็วการทำงานของวงจร ส่วนค่าพาราซิติกความเหนี่ยวนำสามารถทำให้ประสิทธิภาพของวงจรบายพาสลดลง และลดความสามารถในการกรองของระบบจ่ายไฟทั้งหมด บทความนี้จะแสดงให้เห็นว่าการควบคุมอิมพีแดนซ์ของ via ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณอย่างไร และให้คำแนะนำบางประการเกี่ยวกับการออกแบบวงจร
อิทธิพลของเวียต่อความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์
ตามกราฟ TDR (time domain reflectometer) ในช่วงที่มี via และไม่มี via จะเห็นได้ชัดว่ามีการหน่วงสัญญาณเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มี via ในกรณีที่ไม่มี via ช่วงเวลาที่สัญญาณส่งไปถึงรูทดสอบที่สองคือ 458ps ในขณะที่ในกรณีที่มี via ช่วงเวลาที่สัญญาณส่งไปถึงรูทดสอบที่สองคือ 480ps ดังนั้น via ทำให้สัญญาณเกิดการหน่วงเวลา 22ps
ความล่าช้าของสัญญาณส่วนใหญ่เกิดจากค่าคาปาซิแตนซ์寄生ของ via ซึ่งคำนวณได้จากสมการด้านล่างนี้:
ในสูตรนี้ D2หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรอง (มม.) บนพื้นD1ถึงเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นรอง (มม.) ของ viaทีถึงความหนาของแผ่น PCB (มม.)εrกับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุรองรับและCต่อความจุ寄生 (pF) ของ via
ความยาวของ via ในการอภิปรายนี้คือ 0.96 มม. โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของ via เท่ากับ 0.3 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางของ pad เท่ากับ 0.5 มม. และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเท่ากับ 4.2 ซึ่งถูกนำไปใช้ในสูตรที่กล่าวถึงข้างต้น ทำให้ค่าคาปาซิแตนซ์寄生ที่คำนวณได้มีค่าประมาณ 0.562 pF เมื่อพิจารณาถึงสายส่งสัญญาณที่มีความต้านทาน 50Ω via นี้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเวลาไต่ระดับของสัญญาณ โดยปริมาณการเปลี่ยนแปลงสามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้:
จากสูตรที่กล่าวถึงข้างต้น การเปลี่ยนแปลงของเวลาเพิ่มขึ้นที่เกิดจากค่าความจุของ via มีค่า 30.9ps ซึ่งยาวกว่าผลการทดสอบ (22ps) อยู่ 9ps แสดงให้เห็นว่ามีความคลาดเคลื่อนระหว่างผลเชิงทฤษฎีกับผลเชิงปฏิบัติ
โดยสรุปแล้ว ความล่าช้าของสัญญาณที่เกิดจากค่าคาปาซิแตนซ์寄生ของ via นั้นไม่เด่นชัดมากนัก อย่างไรก็ตาม สำหรับการออกแบบวงจรความเร็วสูง ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการเปลี่ยนเลเยอร์ที่มีการใช้ via หลายจุดในเส้นลายวงจร
เมื่อเปรียบเทียบกับค่าคาปาซิแตนซ์寄生แล้ว ค่าความเหนี่ยวนำ寄生ที่เกิดจาก via จะสร้างความเสียหายต่อวงจรมากกว่า ค่าความเหนี่ยวนำ寄生ของ via สามารถคำนวณได้จากสมการต่อไปนี้:
ในสูตรนี้Lหมายถึงค่าความเหนี่ยวนำ寄生 (nH) ของ viahถึงความยาว (มม.) ของ via และดถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของ via (มม.) อิมพีแดนซ์เทียบเท่าที่เกิดจากความเหนี่ยวนำ寄生ของ via สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:
เวลาขึ้นของสัญญาณทดสอบคือ 500 ps และอิมพีแดนซ์เทียบเท่าของมันคือ 4.28Ω แต่อิมพีแดนซ์ที่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจาก via มีค่ามากกว่า 12Ω ซึ่งบ่งชี้ว่าค่าที่วัดได้มีความแปรปรวนอย่างมากเมื่อเทียบกับค่าที่คำนวณตามทฤษฎี
อิทธิพลของเส้นผ่านศูนย์กลางเวียต่อความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์
ตามผลการทดลองหลายชุด สามารถสรุปได้ว่า ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของวิอมีขนาดใหญ่เท่าใด ก็ยิ่งทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของวิอมากขึ้นแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงและความเร็วสูงในกระบวนการออกแบบ การเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์มักถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง ±10% มิฉะนั้นอาจเกิดการบิดเบือนของสัญญาณ
อิทธิพลของขนาดแผ่นแพดต่อความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์
ค่าความจุ寄生มีอิทธิพลอย่างมากต่อจุดเรโซแนนซ์ภายในย่านสัญญาณความถี่สูง และแบนด์วิดท์จะเกิดการเลื่อนตามการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุ寄生 องค์ประกอบหลักที่ส่งผลต่อค่าความจุ寄生คือขนาดของแพด ซึ่งมีอิทธิพลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในระดับเทียบเท่ากัน ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของแพดยิ่งใหญ่ ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้น
เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของแพดเปลี่ยนแปลงภายในช่วงตั้งแต่ 0.5 มม. ถึง 1.3 มม. ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจาก via จะลดลงอย่างต่อเนื่อง เมื่อขนาดแพดเพิ่มจาก 0.5 มม. เป็น 0.7 มม. อิมพีแดนซ์จะมีแอมพลิจูดการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมาก เมื่อขนาดแพดเพิ่มขึ้นต่อไป การเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ของ via จะราบรื่นขึ้น ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของแพดยิ่งใหญ่ ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจาก via ก็จะยิ่งต่ำลง
เส้นทางย้อนกลับสำหรับสัญญาณผ่าน
หลักการพื้นฐานของการไหลของสัญญาณย้อนกลับคือ กระแสสัญญาณย้อนกลับความเร็วสูงจะไหลไปตามเส้นทางที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำที่สุด เนื่องจากแผ่น PCB มีระนาบกราวด์มากกว่าหนึ่งระนาบ กระแสสัญญาณย้อนกลับจึงไหลไปตามเส้นทางหนึ่งโดยตรงใต้เส้นสัญญาณ บนระนาบกราวด์ที่อยู่ใกล้กับเส้นสัญญาณมากที่สุด เมื่ออยู่ในสถานการณ์ที่กระแสสัญญาณทั้งหมดจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งไหลไปตามระนาบเดียวกัน หากทำให้สัญญาณเดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งผ่านทาง via กระแสสัญญาณย้อนกลับจะไม่สามารถกระโดดข้ามได้เมื่อไม่มีการเชื่อมต่อกราวด์
ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง สามารถจัดเตรียมเส้นทางกลับให้กับกระแสสัญญาณผ่านทาง via เพื่อขจัดการไม่แมตช์ของอิมพีแดนซ์ รอบ ๆ via สามารถออกแบบ via กราวด์เพื่อให้เส้นทางกลับสำหรับกระแสสัญญาณ โดยจะเกิดลูปความเหนี่ยวนำระหว่าง via สัญญาณและ via กราวด์ แม้ว่าความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์จะเกิดขึ้นเนื่องจากอิทธิพลของ via กระแสก็ยังสามารถไหลเข้าสู่ลูปความเหนี่ยวนำได้ ทำให้คุณภาพสัญญาณดีขึ้น
ความสมบูรณ์ของสัญญาณของเวีย
พารามิเตอร์ S สามารถใช้ประเมินอิทธิพลของเวียต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ โดยแสดงคุณสมบัติขององค์ประกอบทั้งหมดในช่องสัญญาณ รวมถึงการสูญเสีย การลดทอน และการสะท้อน เป็นต้น ตามชุดการทดลองที่ใช้ในบทความนี้ ระบุให้เห็นว่าเวียกราวด์สามารถลดการสูญเสียการส่งผ่านได้ และยิ่งมีเวียกราวด์อยู่รอบเวียมากเท่าใด การสูญเสียการส่งผ่านก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น การเพิ่มเวียกราวด์รอบเวียสามารถลดการสูญเสียที่เกิดจากเวียได้ในระดับหนึ่ง
จากการอภิปรายที่แสดงไว้ข้างต้นในบทความนี้ สามารถสรุปได้สองข้อว่า:
a.ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจาก via นั้นได้รับผลกระทบจากเส้นผ่านศูนย์กลางของ via และขนาดของ pad ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของ via และเส้นผ่านศูนย์กลางของ pad มีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใด ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจาก via มักจะลดลงเมื่อขนาดของ pad เพิ่มขึ้น
ข.การเพิ่มรูเชื่อมต่อกราวด์สามารถปรับปรุงความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ของรูเชื่อมต่อได้อย่างชัดเจน ซึ่งสามารถควบคุมให้อยู่ในช่วง ±10% นอกจากนี้ การเพิ่มรูเชื่อมต่อกราวด์ยังสามารถเพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณได้อย่างชัดเจนอีกด้วย
ต้องการบริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ควบคุมอิมพีแดนซ์อย่างเข้มงวดใช่ไหม? PCBCart ทำได้!
