Controle de impedância de vias e sua influência na integridade do sinal no projeto de PCB

Vias desempenham um papel como condutores conectando traços em diferentes camadas de um PCB multicamada (Placa de Circuito Impresso). No caso de baixa frequência, as vias não afetam a transmissão do sinal. À medida que a frequência aumenta (1 GHz acima) e a borda de subida do sinal se torna íngreme (1ns no máximo), no entanto, as vias não podem ser consideradas simplesmente como uma função da conexão elétrica, mas a influência das vias na integridade do sinal deve ser cuidadosamente considerada. As vias se comportam como pontos de interrupção com impedância descontínua na linha de transmissão, causando reflexões de sinal. No entanto, as questões trazidas pelas vias concentram-se mais na capacitância parasita e na indutância parasita. A influência da capacitância via parasita no circuito é principalmente prolongar o tempo de subida dos sinais e reduzir a velocidade de funcionamento do circuito. A indutância parasita, no entanto, pode enfraquecer a contribuição do circuito de desvio e diminuir a função de filtragem de todo o sistema de energia. Este artigo demonstrará como o controle de impedância afeta a integridade do sinal e fornecerá alguns conselhos sobre o projeto do circuito.

Influência das Vias na Continuidade da Impedância

De acordo com a curva TDR (refletômetro no domínio do tempo) no momento da presença da via e da ausência da via, o atraso de sinal óbvio ocorre na situação de ausência da via. No caso de ausência de via, o intervalo de tempo de transmissão do sinal para o segundo orifício de teste é de 458 ps, enquanto o de transmissão de sinal para o segundo orifício de teste é de 480 ps no caso de presença de via. Assim, via leva sinais para atraso de 22ps.


O atraso do sinal resulta principalmente da capacitância parasita das vias que é calculada através da fórmula abaixo:

Nesta fórmula, D₂ refere-se ao diâmetro da almofada (mm) no solo, D₁ ao diâmetro do bloco (mm) da via, T à espessura da placa PCB (mm), ε_r à constante dielétrica do substrato e C à capacitância parasita (pF) da via.


O comprimento da via nesta discussão é de 0,96 mm com diâmetro da via de 0,3 mm, diâmetro da almofada de 0,5 mm e constante dielétrica 4,2 com a qual envolvida na fórmula mencionada acima, a capacitância parasita calculada é calculada em aproximadamente 0,562 pF. Quando se trata de uma linha de transmissão de sinal com resistência de 50Ω, esta via causará mudanças no tempo de subida dos sinais com o valor da mudança calculado pela seguinte fórmula:

Com base na fórmula apresentada acima, a variação do tempo de subida causada pela capacitância via é de 30,9 ps, 9 ps a mais do que o resultado testado (22 ps), indicando que ocorre uma variação entre o resultado teórico e o resultado prático.


Em conclusão, o atraso do sinal causado pela capacitância parasita não é tão óbvio. No que diz respeito ao projeto de circuito de alta velocidade, no entanto, deve-se prestar muita atenção especialmente à conversão de camada com múltiplas vias aplicadas no rastreamento.


Comparada com a capacitância parasita, a indutância parasita apresentada pelas vias leva a mais danos ao circuito. A indutância parasita das vias pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Nesta fórmula, L refere-se à indutância parasita (nH) da via, h ao comprimento (mm) da via e d ao diâmetro da via (mm). A impedância equivalente provocada por indutância parasita pode ser calculada pela seguinte fórmula:

O tempo de subida dos sinais de teste é de 500ps e sua impedância equivalente é de 4,28Ω. Mas a mudança de impedância como resultado das vias atinge mais de 12Ω e indica que o valor medido apresenta variação extrema com o valor calculado teoricamente.

Influência do diâmetro da via na continuidade da impedância

De acordo com uma série de experimentos, pode-se concluir que quanto maior o diâmetro da via, maior será a descontinuidade da via. No processo de projeto de PCB de alta frequência e alta velocidade, a mudança de impedância geralmente é controlada dentro da faixa de ± 10%, ou possivelmente é gerada distorção do sinal.

Influência do tamanho do bloco na continuidade da impedância

A capacitância parasita apresenta uma influência extremamente grande nos pontos de ressonância dentro da banda do sinal de alta frequência e a largura da banda sofrerá deslocamento junto com a capacitância parasita. O elemento principal que afeta a capacitância parasita é o tamanho do pad que apresenta uma influência equivalente na integridade do sinal. Assim, quanto maior o diâmetro da pastilha, a descontinuidade da impedância trará para frente.


Quando o diâmetro da almofada muda dentro da faixa de 0,5 mm a 1,3 mm, a descontinuidade da impedância causada pelas vias será constantemente reduzida. Quando o tamanho do bloco aumenta de 0,5 mm para 0,7 mm, a impedância apresentará uma amplitude de mudança relativamente grande. À medida que o tamanho do pad continua aumentando, a mudança de impedância se tornará suave. Portanto, quanto maior o diâmetro da almofada, menor será a descontinuidade de impedância provocada pelas vias.

Caminho de retorno para sinais de via

O princípio básico do fluxo do sinal de retorno é que a corrente do sinal de retorno de alta velocidade corre ao longo do caminho de indutância mais baixo. Como uma placa PCB contém mais de um plano de aterramento, a corrente do sinal de retorno corre diretamente ao longo de um caminho abaixo das linhas de sinal no plano de aterramento mais próximo da linha de sinal. Quando se trata da situação em que todas as correntes de sinal de um ponto a outro fluem ao longo do mesmo plano, se os sinais forem feitos de um ponto a outro através de uma via, a corrente do sinal de retorno não poderá saltar quando a conexão à terra não estiver t alcançado.


No projeto de PCB de alta velocidade, o caminho de retorno pode ser fornecido via corrente de sinal para eliminar a incompatibilidade de impedância. Ao redor da via, a via de aterramento pode ser projetada para fornecer um caminho de retorno para a corrente do sinal com um loop de indutância gerado entre a via do sinal e a via de aterramento. Mesmo que a descontinuidade da impedância ocorra devido à influência das vias, a corrente poderá fluir em direção ao loop de indutância com a qualidade do sinal melhorada.

Integridade do Sinal das Vias

Os parâmetros S podem ser usados ​​para avaliar a influência das vias na integridade do sinal, representando propriedades de todos os ingredientes do canal incluindo perda, atenuação e reflexão etc. de reduzir a perda de transmissão e quanto mais vias de aterramento se tornarem ao redor das vias, menor será a perda de transmissão. O aterramento através da adição de vias ao redor é capaz de diminuir a perda causada por vias até certo ponto.


De acordo com a discussão demonstrada acima neste artigo, duas conclusões podem ser feitas:
a. A descontinuidade da impedância causada pelas vias é afetada pelo diâmetro da via e pelo tamanho da almofada. Quanto maior o diâmetro da via e o diâmetro da almofada, mais grave será a descontinuidade da impedância despertada. A descontinuidade de impedância causada por vias geralmente diminui à medida que o tamanho do bloco aumenta.
b. A adição de vias de aterramento é capaz de melhorar evidentemente através da descontinuidade da impedância que pode ser controlada dentro da faixa de ±10%. Além disso, a adição de vias de aterramento também pode aumentar a integridade do sinal.

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