Otimizando Impedância de Via para Integridade de Sinal Superior em PCBs de Alta Frequência

Vias desempenham papel como condutores conectando traços através de diferentes camadas de um PCB multicamadas (Printed Circuit Board). No caso de baixa frequência, vias não afetam transmissão de sinal. À medida que a frequência sobe (1GHz acima) e borda de subida do sinal se torna íngreme (1ns no máximo), no entanto, vias não podem ser simplesmente consideradas como uma função de conexão elétrica, mas a influência das vias na integridade do sinal tem que ser cuidadosamente considerada. Vias comportam-se como pontos de quebra com impedância descontínua na linha de transmissão, causando reflexões de sinal. No entanto, questões trazidas por vias concentram-se mais em capacitância parasita e indutância parasita. A influência da capacitância parasita de vias no circuito é principalmente prolongar o tempo de subida dos sinais e reduzir a velocidade de execução do circuito. A indutância parasita, no entanto, pode enfraquecer a contribuição do circuito de bypass e diminuir a função de filtragem de todo o sistema de power. Este artigo demonstrará como o controle de impedância de via afeta a integridade do sinal e fornecerá alguns conselhos sobre design de circuito.

Influência das Vias na Continuidade da Impedância

De acordo com a curva TDR (time domain reflectometer) no momento da presença e ausência de via, atraso de sinal óbvio ocorre na situação de ausência de via. No caso de ausência de via, o intervalo de tempo de transmissão de sinal para o segundo furo de teste é 458ps, enquanto o de transmissão de sinal para o segundo furo de teste é 480ps no caso de presença de via. Assim, a via leva os sinais a atrasar por 22ps.

Atraso de sinal resulta principalmente da capacitância parasita de vias que é calculada através da fórmula abaixo:

Nesta fórmula, D₂ refere-se ao diâmetro do pad (mm) no ground, D₁ ao diâmetro do pad (mm) da via, T à espessura da placa de PCB (mm), εᵣ à constante dielétrica do substrato e C à capacitância parasita (pF) da via.

O comprimento da via nesta discussão é 0,96mm com diâmetro de via 0,3mm, diâmetro do pad 0,5mm e constante dielétrica 4,2, com os quais envolvidos na fórmula mencionada acima, a capacitância parasita calculada é descoberta como aproximadamente 0,562pF. 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 a quantidade de mudança calculada pela seguinte fórmula:

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

Em conclusão, atraso de sinal causado por capacitância parasita de via não é tão óbvio. Quanto a design de circuito de alta velocidade, no entanto, atenção deve ser altamente paga, especialmente conversão de camada com vias multiplicamente aplicadas em rastreamento.

Comparado com capacitância parasita, indutância parasita apresentada por vias leva a mais dano ao circuito. Indutância parasita de 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). Impedância equivalente despertada por indutância parasita de via pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Tempo de subida de sinais de teste é 500ps e sua impedância equivalente é 4,28Ω. Mas mudança de impedância como resultado de vias alcança mais de 12Ω e indica que o valor medido apresenta variação extrema com valor calculado pela teoria.

Influência do Diâmetro da Via na Continuidade da Impedância

De acordo com uma série de experimentos, pode ser concluído que quanto maior o diâmetro da via, mais descontinuidade a via causará. No processo de design de PCB de alta frequência e alta velocidade, mudança de impedância é geralmente controlada dentro da faixa de ±10%, ou distorção de sinal é possivelmente gerada.

Influência do Tamanho do Pad na Continuidade da Impedância

Capacitância parasita apresenta influência extremamente grande em pontos de ressonância dentro da banda de sinal de alta frequência e largura de banda sofrerá deslocamento junto com capacitância parasita. O elemento líder afetando capacitância parasita é tamanho do pad que apresenta influência equivalente na integridade do sinal. Assim, quanto maior o diâmetro do pad, descontinuidade de impedância ele trará adiante.

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

Caminho de Retorno para Sinais de Via

Princípio básico de fluxo de sinal de retorno é que corrente de retorno de alta velocidade percorre ao longo do caminho de menor indutância. Como uma placa de PCB contém mais de um plano de ground, corrente de retorno de sinal percorre diretamente ao longo de um caminho abaixo das linhas de sinal no plano de ground que é o mais próximo da linha de sinal. Quando se trata da situação em que todas as correntes de sinal de um ponto para outro fluem ao longo do mesmo plano, se os sinais forem feitos ir de um ponto para outro através de uma via, a corrente de retorno de sinal não será capaz de pular quando conexão de ground não for alcançada.

No design de PCB de alta velocidade, caminho de retorno pode ser fornecido à corrente de sinal de via para eliminar descompensação de impedância. Ao redor da via, via de ground pode ser projetada para fornecer caminho de retorno para corrente de sinal com um loop de indutância gerado entre via de sinal e via de ground. Mesmo que descontinuidade de impedância entre em existência devido à influência de vias, a corrente será capaz de fluir em direção ao loop de indutância com qualidade de sinal melhorada.

Integridade de Sinal de Vias

Parâmetros S podem ser usados para avaliar a influência de vias na integridade do sinal, representando propriedades de todos os ingredientes no canal, incluindo perda, atenuação e reflexão, etc. De acordo com uma série de experimentos aproveitados neste artigo, é indicado que via de ground é capaz de reduzir perda de transmissão e quanto mais vias de ground se tornam ao redor de vias, menor a perda de transmissão será. Adição de via de ground ao redor de vias é capaz de diminuir perda causada por vias em certa extensão.

De acordo com a discussão demonstrada acima neste artigo, duas conclusões podem ser feitas:
a. Descontinuidade de impedância causada por vias é afetada por diâmetro da via e tamanho do pad. Quanto maiores diâmetro da via e diâmetro do pad se tornam, mais séria a descontinuidade de impedância despertada será. Descontinuidade de impedância causada por vias geralmente diminui à medida que tamanho do pad sobe.
b. Adição de vias de ground é capaz de evidentemente melhorar descontinuidade de impedância de via que pode ser controlada dentro da faixa de ±10%. Além disso, adição de vias de ground também pode evidentemente aumentar integridade de sinal.

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