Kontrol Impedansi Vias dan Pengaruhnya Terhadap Integritas Sinyal dalam Desain PCB
Via berperan sebagai konduktor yang menghubungkan jejak di berbagai lapisan PCB (Papan Sirkuit Cetak) multi-lapisan. Dalam kasus frekuensi rendah, vias tidak mempengaruhi transmisi sinyal. Ketika frekuensi naik (1GHz di atas) dan tepi naik sinyal menjadi curam (paling banyak 1ns), bagaimanapun, vias tidak dapat dianggap sebagai fungsi sambungan listrik tetapi pengaruh vias pada integritas sinyal harus dipertimbangkan dengan cermat. Vias berperilaku sebagai breakpoints dengan impedansi terputus-putus pada saluran transmisi, menyebabkan refleksi sinyal. Namun demikian, masalah yang dibawa oleh vias lebih berkonsentrasi pada kapasitansi parasit dan induktansi parasit. Pengaruh kapasitansi via parasit pada rangkaian terutama untuk memperpanjang waktu naik sinyal dan mengurangi kecepatan lari rangkaian. Induktansi parasit, bagaimanapun, dapat melemahkan kontribusi rangkaian bypass dan menurunkan fungsi penyaringan dari keseluruhan sistem tenaga. Artikel ini akan menunjukkan bagaimana melalui kontrol impedansi mempengaruhi integritas sinyal dan memberikan beberapa saran tentang desain sirkuit.
Pengaruh Vias pada Kontinuitas Impedansi
Menurut kurva TDR (time domain reflectometer) pada saat via kehadiran dan via ketiadaan, penundaan sinyal yang jelas memang terjadi pada situasi via ketiadaan. Dalam hal melalui ketiadaan, rentang waktu transmisi sinyal ke lubang uji kedua adalah 458 ps sedangkan transmisi sinyal ke lubang uji kedua adalah 480 ps dalam hal melalui keberadaan. Jadi, melalui sinyal lead untuk menunda selama 22 ps.
Penundaan sinyal terutama dihasilkan dari kapasitansi parasit vias yang ditentukan melalui rumus di bawah ini:
Dalam rumus ini, D2 mengacu pada diameter bantalan (mm) di tanah, D1 untuk diameter bantalan (mm) via, T ke ketebalan papan PCB (mm), r ke konstanta dielektrik substrat dan C ke kapasitansi parasit (pF) melalui.
Panjang via dalam diskusi ini adalah 0.96mm dengan diameter via 0.3mm, diameter pad 0.5mm dan konstanta dielektrik 4.2 yang terlibat dalam rumus yang disebutkan di atas, kapasitansi parasit yang dihitung adalah sekitar 0.562pF. Ketika datang ke saluran transmisi sinyal dengan resistansi 50Ω, melalui ini akan menyebabkan perubahan waktu naik sinyal dengan jumlah perubahan yang ditentukan oleh rumus berikut:
Berdasarkan rumus yang diperkenalkan di atas, variasi waktu naik yang disebabkan oleh kapasitansi melalui adalah 30.9ps yang 9ps lebih lama dari hasil yang diuji (22ps), menunjukkan bahwa variasi memang terjadi antara hasil teoritis dan hasil praktis.
Kesimpulannya, penundaan sinyal yang disebabkan oleh kapasitansi parasit tidak begitu jelas. Namun, sejauh menyangkut desain sirkuit kecepatan tinggi, perhatian harus diberikan terutama pada konversi lapisan dengan penggandaan vias yang diterapkan dalam pelacakan.
Dibandingkan dengan kapasitansi parasit, induktansi parasit yang ditampilkan oleh vias menyebabkan lebih banyak kerusakan pada sirkuit. Induktansi parasit vias dapat ditentukan dengan rumus berikut:
Dalam rumus ini, L mengacu pada induktansi parasit (nH) dari via, h ke panjang (mm) via dan d ke via diameter (mm). Impedansi ekivalen yang ditimbulkan oleh induktansi parasit dapat ditentukan dengan rumus berikut:
Waktu naik sinyal uji adalah 500ps dan impedansi ekivalennya adalah 4,28Ω. Tetapi perubahan impedansi sebagai akibat dari vias mencapai lebih dari 12Ω dan ini menunjukkan bahwa nilai yang diukur memiliki variasi ekstrim dengan nilai yang dihitung secara teori.
Pengaruh Diameter Via pada Kontinuitas Impedansi
Berdasarkan rangkaian percobaan, dapat disimpulkan bahwa semakin besar diameter via, semakin besar pula diskontinuitas via. Dalam proses desain PCB frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, perubahan impedansi biasanya dikendalikan dalam kisaran ±10%, atau distorsi sinyal mungkin dihasilkan.
Pengaruh Ukuran Pad pada Kontinuitas Impedansi
Kapasitansi parasit memiliki pengaruh yang sangat besar pada titik resonansi dalam pita sinyal frekuensi tinggi dan lebar pita akan mengalami pergeseran bersama dengan kapasitansi parasit. Elemen utama yang mempengaruhi kapasitansi parasit adalah ukuran pad yang memiliki pengaruh setara pada integritas sinyal. Dengan demikian, diameter pad yang lebih tinggi, diskontinuitas impedansi akan dibawa ke depan.
Ketika diameter bantalan berubah dalam kisaran dari 0,5 mm hingga 1,3 mm, diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh vias akan terus berkurang. Ketika ukuran pad meningkat dari 0,5 mm menjadi 0,7 mm, impedansi akan menampilkan amplitudo perubahan yang relatif besar. Sebagai ukuran pad terus meningkat, melalui perubahan impedansi akan menjadi halus. Oleh karena itu, semakin besar diameter pad, semakin rendah diskontinuitas impedansi yang ditimbulkan oleh vias.
Jalur Kembali untuk Sinyal Via
Prinsip dasar aliran sinyal balik adalah bahwa arus sinyal balik berkecepatan tinggi berjalan di sepanjang jalur induktansi terendah. Karena papan PCB berisi lebih dari satu bidang tanah, arus sinyal balik berjalan langsung di sepanjang satu jalur di bawah garis sinyal di bidang dasar yang paling dekat dengan garis sinyal. Ketika datang ke situasi ketika semua arus sinyal dari satu titik ke titik lain mengalir di sepanjang bidang yang sama, jika sinyal dibuat dari satu titik ke titik lain melalui via, arus sinyal balik tidak akan bisa melompat ketika koneksi ground tidak ' t tercapai.
Dalam desain PCB berkecepatan tinggi, jalur balik dapat diberikan melalui arus sinyal untuk menghilangkan ketidaksesuaian impedansi. Sekitar via, pentanahan melalui dapat dirancang untuk menyediakan jalur balik untuk arus sinyal dengan loop induktansi yang dihasilkan antara sinyal melalui dan melalui pentanahan. Bahkan diskontinuitas impedansi muncul karena pengaruh vias, arus akan dapat mengalir menuju loop induktansi dengan kualitas sinyal yang ditingkatkan.
Integritas Sinyal Vias
Parameter S dapat digunakan untuk mengevaluasi pengaruh vias pada integritas sinyal, mewakili sifat semua bahan dalam saluran termasuk kehilangan, redaman dan refleksi, dll. Sesuai dengan serangkaian eksperimen yang digunakan dalam artikel ini, ditunjukkan bahwa melalui pentanahan mampu mengurangi kehilangan transmisi dan semakin banyak grounding vias di sekitar vias, semakin rendah kehilangan transmisi. Pengardean melalui penambahan sekitar vias mampu mengurangi kerugian yang disebabkan oleh vias sampai batas tertentu.
Berdasarkan pembahasan yang ditunjukkan di atas dalam artikel ini, ada dua kesimpulan yang dapat diambil:
a. Diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh vias dipengaruhi oleh diameter dan ukuran bantalan. Semakin besar diameter via dan diameter pad, diskontinuitas impedansi yang dibangkitkan akan semakin serius. Diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh vias biasanya turun seiring dengan meningkatnya ukuran pad.
b. Penambahan vias pembumian terbukti mampu meningkatkan melalui diskontinuitas impedansi yang dapat dikontrol dalam kisaran ±10%. Selain itu, penambahan via grounding juga terbukti dapat meningkatkan integritas sinyal.
Perlu Layanan Fabrikasi PCB dengan Kontrol Impedansi Ketat? PCBCart Bisa Melakukannya!
PCBCart mampu membuat papan sirkuit cetak dengan impedansi terkontrol sesuai dengan kebutuhan Anda. Toleransi impedansi kami adalah dari ±5% hingga ±10%. Klik tombol di bawah untuk mendapatkan biaya fabrikasi PCB online dengan kontrol impedansi.
Sumber Daya Bermanfaat
• Elemen yang Mempengaruhi Impedansi Karakteristik PCB dan Solusinya
• Kontrol Impedansi dalam Desain PCB Sirkuit Digital Berkecepatan Tinggi
• PCBCart Menawarkan Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap
• Desain PCB Persyaratan File untuk Pembuatan Papan Sirkuit yang Efisien
• Cara Mengevaluasi Produsen PCB atau Perakit PCB
