Mengoptimalkan Impedansi Via untuk Integritas Sinyal Superior pada PCB Frekuensi Tinggi

Via berperan sebagai konduktor yang menghubungkan lintasan di antara berbagai lapisan PCB multi-lapis (Printed Circuit Board). Dalam kasus frekuensi rendah, via tidak mempengaruhi transmisi sinyal. Namun, seiring meningkatnya frekuensi (1GHz ke atas) dan tepi naik sinyal menjadi curam (1ns paling banyak), via tidak dapat lagi dianggap sebagai fungsi koneksi listrik tetapi pengaruh via pada integritas sinyal harus dipertimbangkan dengan hati-hati. Via berperangkap dengan impedansi yang diskontinu pada garis transmisi, yang menyebabkan pantulan sinyal. Meskipun demikian, masalah yang ditimbulkan oleh via terkait lebih banyak pada kapasitansi parasit dan induktansi parasit. Pengaruh kapasitansi parasit pada rangkaian terutama untuk memperpanjang waktu naik sinyal dan mengurangi kecepatan operasional rangkaian. Induktansi parasit, sebaliknya, dapat melemahkan kontribusi rangkaian bypass dan mengurangi fungsi filter seluruh sistem daya. Artikel ini akan menunjukkan bagaimana pengendalian impedansi via mempengaruhi integritas sinyal dan memberikan beberapa saran tentang desain rangkaian.

Pengaruh Via terhadap Kesinambungan Impedansi

Menurut kurva TDR (time domain reflectometer) pada saat keberadaan via dan keberadaan via, penundaan sinyal yang jelas terjadi pada situasi keberadaan via. Dalam kasus keberadaan via, waktu transit sinyal ke lubang uji kedua adalah 458ps sementara waktu transit sinyal ke lubang uji kedua adalah 480ps dalam kasus keberadaan via. Jadi, via menyebabkan sinyal tertunda selama 22ps.

Penundaan sinyal terutama disebabkan oleh kapasitansi parasit via yang dihitung melalui rumus di bawah ini:

Dalam rumus ini, D₂ merujuk pada diameter pad (mm) di ground, D₁ ke diameter pad (mm) via, T ke ketebalan papan PCB (mm), ε_r ke konstanta dielektrik substrat dan C ke kapasitansi parasit (pF) via.

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 di atas, kapasitansi parasit yang dihitung diperkirakan sekitar 0,562pF. Ketika itu datang pada garis transmisi sinyal dengan resistansi 50Ω, via ini akan menyebabkan perubahan waktu naik sinyal dengan jumlah perubahan yang dihitung oleh rumus berikut:

td>Berdasarkan rumus yang diperkenalkan di atas, variasi waktu naik yang disebabkan oleh kapasitansi via adalah 30,9ps yang 9ps lebih lama dari hasil uji (22ps), menunjukkan bahwa variasi terjadi antara hasil teoretis dan hasil praktis.

Kesimpulannya, penundaan sinyal yang disebabkan oleh kapasitansi parasit via tidak begitu jelas. Sejauh desain rangkaian kecepatan tinggi yang bersangkutan, perhatian tinggi harus diberikan terutama konversi lapisan dengan via yang banyak diterapkan dalam tracing.

Dibandingkan dengan kapasitansi parasit, induktansi parasit yang dimiliki via menyebabkan lebih banyak kerusakan pada rangkaian. Induktansi parasit via dapat dihitung dengan rumus berikut:

Dalam rumus ini, L merujuk pada induktansi parasit (nH) via, h ke panjang (mm) via dan d ke diameter via (mm). Impedansi ekivalen yang timbul dari induktansi parasit via dapat dihitung dengan rumus berikut:

Waktu naik sinyal uji adalah 500ps dan impedansi ekivalennya adalah 4,28Ω. Namun perubahan impedansi akibat via mencapai lebih dari 12Ω dan menunjukkan bahwa nilai pengukuran memiliki variasi ekstrim dengan nilai yang dihitung secara teoretis.

Pengaruh Diameter Via terhadap Kesinambungan Impedansi

Menurut serangkaian eksperimen, dapat disimpulkan bahwa semakin besar diameter via, semakin banyak diskontinuitas yang akan ditimbulkan via. Dalam proses desain PCB frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, perubahan impedansi biasanya dikontrol dalam rentang ±10%, atau distorsi sinyal mungkin dihasilkan.

Pengaruh Ukuran Pad terhadap Kesinambungan Impedansi

Kapasitansi parasit memiliki pengaruh yang sangat besar pada titik resonansi dalam band frekuensi sinyal tinggi dan lebar band akan mengalami perpindahan seiring kapasitansi parasit. Elemen utama yang mempengaruhi kapasitansi parasit adalah ukuran pad yang memiliki pengaruh ekuivalen pada integritas sinyal. Jadi, semakin besar diameter pad, semakin besar diskontinuitas impedansi yang akan ditimbulkannya.

Ketika diameter pad berubah dalam rentang 0,5mm hingga 1,3mm, diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh via akan terus berkurang. Ketika ukuran pad meningkat dari 0,5mm ke 0,7mm, impedansi akan memiliki amplitudo perubahan yang relatif besar. Saat ukuran pad terus meningkat, perubahan impedansi via akan menjadi halus. Oleh karena itu, semakin besar diameter pad, semakin rendah diskontinuitas impedansi yang timbul akibat via.

Jalur Kembali untuk Sinyal Via

Prinsip dasar aliran sinyal kembali adalah arus sinyal kembali kecepatan tinggi berjalan di jalur induktansi terendah. Karena papan PCB berisi lebih dari satu lapisan ground, arus sinyal kembali berjalan langsung di satu jalur di bawah garis sinyal di lapisan ground yang terdekat dengan garis sinyal. Ketika itu datang pada situasi di mana semua arus sinyal dari satu titik ke titik lain berjalan di lapisan yang sama, jika sinyal dibuat pergi dari satu titik ke titik lain melalui via, arus sinyal kembali tidak akan bisa melompat saat koneksi ground tidak tercapai.

Dalam desain PCB kecepatan tinggi, jalur kembali dapat disediakan untuk arus sinyal via untuk menghilangkan ketidakcocokan impedansi. Sekitar via, via grounding dapat dirancang untuk menyediakan jalur kembali untuk arus sinyal dengan loop induktansi yang dihasilkan antara via sinyal dan via grounding. Bahkan diskontinuitas impedansi timbul akibat pengaruh via, arus akan bisa mengalir ke arah loop induktansi dengan kualitas sinyal yang ditingkatkan.

Integritas Sinyal Via

Parameter S dapat digunakan untuk mengevaluasi pengaruh via pada integritas sinyal, yang mewakili properti semua komponen dalam saluran termasuk kehilangan, attenuasi dan pantulan dll. Menurut serangkaian eksperimen yang digunakan dalam artikel ini, ditunjukkan bahwa via grounding mampu mengurangi kehilangan transmisi dan semakin banyak via grounding di sekitar via, semakin rendah kehilangan transmisi akan menjadi. Penambahan via grounding di sekitar via mampu mengurangi kehilangan yang disebabkan oleh via hingga beberapa titik.

Menurut diskusi yang dipertunjukkan di atas dalam artikel ini, dua kesimpulan dapat dibuat:
a. Diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh via dipengaruhi oleh diameter via dan ukuran pad. Semakin besar diameter via dan diameter pad, semakin serius diskontinuitas impedansi yang timbul. Diskontinuitas impedansi yang disebabkan oleh via biasanya menurun seiring meningkatnya ukuran pad.
b. Penambahan via grounding mampu secara jelas meningkatkan diskontinuitas impedansi via yang dapat dikontrol dalam rentang ±10%. Lebih jauh, penambahan via grounding juga mampu secara jelas meningkatkan integritas sinyal.

Butuh Layanan Pembuatan PCB dengan Pengendalian Impedansi Ketat? PCBCart Bisa Melakukannya!

PCBCart mampu memproduksi papan sirkuit cetak dengan impedansi yang dikontrol sesuai dengan kebutuhan Anda. Toleransi impedansi kami adalah dari ±5% hingga ±10%. Klik tombol di bawah ini untuk mendapatkan biaya pembuatan PCB online dengan pengendalian impedansi.

Sumber Daya Berguna
• Elemen yang Mempengaruhi Impedansi Karakteristik PCB dan Solusi
• Pengendalian Impedansi dalam Desain PCB Sirkuit Digital Kecepatan Tinggi
• PCBCart Menawarkan Layanan Pembuatan PCB Full Feature
• Persyaratan File Desain PCB untuk Pembuatan Papan Sirkuit yang Efisien
• Cara Mengevaluasi Produsen PCB atau Assembly PCB