Control de impedancia de vías y su influencia en la integridad de la señal en el diseño de PCB

Las vías desempeñan un papel como conductores que conectan trazas a través de diferentes capas de una PCB (placa de circuito impreso) multicapa. En el caso de baja frecuencia, las vías no afectan la transmisión de la señal. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia (1 GHz por encima) y el borde ascendente de la señal se vuelve pronunciado (1 ns como máximo), las vías no pueden considerarse simplemente como una función de la conexión eléctrica, sino que se debe considerar cuidadosamente la influencia de las vías en la integridad de la señal. Las vías se comportan como puntos de corte con impedancia discontinua en la línea de transmisión, provocando reflejos en la señal. Sin embargo, los problemas presentados por las vías se concentran más en la capacitancia parásita y la inductancia parásita. La influencia de la capacitancia parásita en el circuito es principalmente para prolongar el tiempo de subida de las señales y reducir la velocidad de funcionamiento del circuito. Sin embargo, la inductancia parásita puede debilitar la contribución del circuito de derivación y disminuir la función de filtrado de todo el sistema de energía. Este artículo demostrará cómo el control de impedancia afecta la integridad de la señal y brindará algunos consejos sobre el diseño de circuitos.

Influencia de las vías en la continuidad de la impedancia

De acuerdo con la curva TDR (reflector del dominio del tiempo) en el momento de la presencia y la ausencia de la vía, se produce un retraso obvio de la señal en la situación de la ausencia de la vía. En caso de ausencia de vía, el lapso de tiempo de transmisión de la señal al segundo orificio de prueba es de 458ps mientras que el de transmisión de la señal al segundo orificio de prueba es de 480ps en el caso de presencia de vía. Por lo tanto, a través de señales de plomo para retrasar 22ps.

El retraso de la señal resulta principalmente de la capacitancia parásita de las vías que se calcula a través de la siguiente fórmula:

En esta fórmula, D₂ se refiere al diámetro de la almohadilla (mm) en el suelo, D₁ al diámetro de la almohadilla (mm) de la vía, T al grosor de la placa PCB (mm), ε_r a la constante dieléctrica del sustrato y C a la capacitancia parásita (pF) de la vía.

La longitud de la vía en esta discusión es de 0,96 mm con un diámetro de la vía de 0,3 mm, un diámetro de la almohadilla de 0,5 mm y una constante dieléctrica de 4,2 con la que, en la fórmula mencionada anteriormente, se calcula que la capacitancia parásita calculada es de aproximadamente 0,562 pF. Cuando se trata de una línea de transmisión de señal con una resistencia de 50 Ω, esta vía provocará cambios en el tiempo de subida de las señales con la cantidad de cambio calculada mediante la siguiente fórmula:

Según la fórmula presentada anteriormente, la variación del tiempo de aumento causada por la capacitancia de vía es de 30,9 ps, es decir, 9 ps más que el resultado probado (22 ps), lo que indica que se produce una variación entre el resultado teórico y el resultado práctico.

En conclusión, el retraso de la señal causado por la capacitancia parásita no es tan obvio. Sin embargo, en lo que respecta al diseño de circuitos de alta velocidad, se debe prestar especial atención a la conversión de capas especialmente con vías aplicadas de forma múltiple en el rastreo.

En comparación con la capacitancia parásita, la inductancia parásita que presentan las vías provoca más daño al circuito. La inductancia parásita de las vías se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

En esta fórmula, L se refiere a la inductancia parásita (nH) de la vía, h a la longitud (mm) de la vía y d al diámetro de la vía (mm). La impedancia equivalente provocada por la inductancia parásita se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

El tiempo de subida de las señales de prueba es de 500ps y su impedancia equivalente es de 4,28Ω. Pero el cambio de impedancia como resultado de las vías alcanza más de 12 Ω e indica que el valor medido presenta una variación extrema con el valor calculado teóricamente.

Influencia del diámetro de la vía en la continuidad de la impedancia

De acuerdo con una serie de experimentos, se puede concluir que cuanto mayor sea el diámetro de la vía, mayor será la discontinuidad de la vía. En el proceso de diseño de PCB de alta frecuencia y alta velocidad, el cambio de impedancia generalmente se controla dentro del rango de ±10 %, o es posible que se genere una distorsión de la señal.

Influencia del tamaño de la almohadilla en la continuidad de la impedancia

La capacitancia parásita presenta una influencia extremadamente grande en los puntos de resonancia dentro de la banda de señal de alta frecuencia y el ancho de banda sufrirá cambios junto con la capacitancia parásita. El elemento principal que afecta la capacitancia parásita es el tamaño de la almohadilla que presenta una influencia equivalente en la integridad de la señal. Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro de la almohadilla, más discontinuidad de impedancia traerá.

Cuando el diámetro de la almohadilla cambia dentro del rango de 0,5 mm a 1,3 mm, la discontinuidad de la impedancia causada por las vías se reduce constantemente. Cuando el tamaño de la almohadilla aumenta de 0,5 mm a 0,7 mm, la impedancia presentará una amplitud de cambio relativamente grande. A medida que el tamaño del pad sigue aumentando, el cambio de impedancia vía será suave. Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro de la almohadilla, menor será la discontinuidad de impedancia provocada por las vías.

Ruta de retorno para señales Via

El principio básico del flujo de la señal de retorno es que la corriente de la señal de retorno de alta velocidad corre a lo largo de la ruta de inductancia más baja. Dado que una placa de circuito impreso contiene más de un plano de tierra, la corriente de señal de retorno corre directamente a lo largo de un camino por debajo de las líneas de señal en el plano de tierra más cercano a la línea de señal. Cuando se trata de la situación en la que todas las corrientes de señal de un punto a otro fluyen a lo largo del mismo plano, si las señales se hacen pasar de un punto a otro a través de una vía, la corriente de señal de retorno no podrá saltar cuando la conexión a tierra no está t conseguido.

En el diseño de PCB de alta velocidad, la ruta de retorno se puede proporcionar a través de la corriente de señal para eliminar la falta de coincidencia de impedancia. Alrededor de la vía, la vía de conexión a tierra se puede diseñar para proporcionar una ruta de retorno para la señal de corriente con un bucle de inductancia generado entre la vía de señal y la vía de conexión a tierra. Incluso la discontinuidad de impedancia surge debido a la influencia de las vías, la corriente podrá fluir hacia el bucle de inductancia con una calidad de señal mejorada.

Integridad de Señal de Vias

Los parámetros S se pueden usar para evaluar la influencia de las vías en la integridad de la señal, representando las propiedades de todos los ingredientes en el canal, incluidas la pérdida, la atenuación y la reflexión, etc. De acuerdo con una serie de experimentos aprovechados en este artículo, se indica que la conexión a tierra es capaz de reducir la pérdida de transmisión y cuantas más vías de puesta a tierra se vuelvan alrededor de las vías, menor será la pérdida de transmisión. La puesta a tierra mediante la adición de vías es capaz de disminuir la pérdida causada por las vías hasta cierto punto.

De acuerdo con la discusión demostrada anteriormente en este artículo, se pueden hacer dos conclusiones:
a. La discontinuidad de la impedancia causada por las vías se ve afectada por el diámetro de la vía y el tamaño del pad. Cuanto mayor sea el diámetro de la vía y el diámetro de la almohadilla, más grave será la discontinuidad de la impedancia activada. La discontinuidad de la impedancia provocada por las vías suele disminuir a medida que aumenta el tamaño del pad.
b. La adición de vías de puesta a tierra es capaz de mejorar evidentemente la discontinuidad de impedancia de vía que se puede controlar dentro del rango de ±10%. Además, la adición de vías de conexión a tierra también puede aumentar evidentemente la integridad de la señal.

¿Necesita servicio de fabricación de PCB con estricto control de impedancia? ¡PCBCart puede hacer eso!

PCBCart es capaz de fabricar placas de circuito impreso con impedancia controlada según sus requisitos. Nuestra tolerancia de impedancia es de ±5% a ±10%. Haga clic en el botón de abajo para obtener el costo de fabricación de PCB en línea con control de impedancia.

Recursos útiles
• Elementos que afectan la impedancia característica de PCB y soluciones
• Control de impedancia en el diseño de PCB de circuito digital de alta velocidad
• PCBCart ofrece servicios completos de fabricación de PCB
• Diseño de PCB Requisitos de archivo para la fabricación eficiente de placas de circuitos
• Cómo evaluar un fabricante de PCB o un ensamblador de PCB