Contrôle de l'impédance des vias et son influence sur l'intégrité du signal dans la conception de circuits imprimés

Les vias jouent un rôle en tant que conducteurs reliant les pistes à travers différentes couches d'un PCB multicouche (carte de circuit imprimé). Dans le cas d'une basse fréquence, les vias n'affectent pas la transmission du signal. Cependant, à mesure que la fréquence augmente (1 GHz au-dessus) et que le front montant du signal devient raide (1ns au maximum), les vias ne peuvent pas être simplement considérés comme une fonction de la connexion électrique, mais l'influence des vias sur l'intégrité du signal doit être soigneusement prise en compte. Les vias se comportent comme des points d'arrêt avec une impédance discontinue sur la ligne de transmission, provoquant des réflexions de signal. Néanmoins, les problèmes posés par les vias se concentrent davantage sur la capacité parasite et l'inductance parasite. L'influence de via la capacité parasite sur le circuit est principalement de prolonger le temps de montée des signaux et de réduire la vitesse de fonctionnement du circuit. L'inductance parasite, cependant, peut affaiblir la contribution du circuit de dérivation et diminuer la fonction de filtrage de l'ensemble du système d'alimentation. Cet article montrera comment le contrôle d'impédance affecte l'intégrité du signal et fournira des conseils sur la conception des circuits.

Influence des vias sur la continuité d'impédance

Selon la courbe TDR (réflectomètre dans le domaine temporel) au moment de la présence et de l'absence de via, un retard de signal évident se produit en cas d'absence de via. En cas d'absence de via, la durée de transmission du signal vers le deuxième trou de test est de 458ps tandis que celle de transmission du signal vers le deuxième trou de test est de 480ps en cas de présence de via. Ainsi, via conduit les signaux à retarder de 22ps.

Le retard du signal résulte principalement de la capacité parasite des vias qui est déterminée par la formule ci-dessous :

Dans cette formule, D₂ fait référence au diamètre du patin (mm) au sol, D₁ au diamètre du plot (mm) du via, T à l'épaisseur de la carte PCB (mm), ε_r à la constante diélectrique du substrat et C à la capacité parasite (pF) du via.

La longueur du via dans cette discussion est de 0,96 mm avec un diamètre de via de 0,3 mm, un diamètre de plot de 0,5 mm et une constante diélectrique de 4,2 avec laquelle impliquée dans la formule mentionnée ci-dessus, la capacité parasite calculée est estimée à environ 0,562 pF. Lorsqu'il s'agit d'une ligne de transmission de signal avec une résistance de 50Ω, ce via entraînera des changements dans le temps de montée des signaux avec la quantité de changement déterminée par la formule suivante :

Sur la base de la formule présentée ci-dessus, la variation du temps de montée causée par la capacité via est de 30,9 ps, soit 9 ps de plus que le résultat testé (22 ps), ce qui indique qu'une variation se produit entre le résultat théorique et le résultat pratique.

En conclusion, le retard du signal causé par la capacité parasite n'est pas si évident. En ce qui concerne la conception de circuits à grande vitesse, cependant, une attention particulière doit être accordée à la conversion de couche en particulier avec des vias multipliés appliqués dans le traçage.

Par rapport à la capacité parasite, l'inductance parasite des vias endommage davantage le circuit. L'inductance parasite des vias peut être déterminée par la formule suivante :

Dans cette formule, L fait référence à l'inductance parasite (nH) du via, h à la longueur (mm) du via et d au diamètre du via (mm). L'impédance équivalente suscitée par une inductance parasite peut être déterminée par la formule suivante :

Le temps de montée des signaux de test est de 500ps et son impédance équivalente est de 4,28Ω. Mais le changement d'impédance résultant des vias atteint plus de 12Ω et cela indique que la valeur mesurée présente une variation extrême avec la valeur calculée en théorie.

Influence du diamètre du via sur la continuité de l'impédance

Conformément à une série d'expériences, on peut conclure que plus le diamètre du via est grand, plus il y aura de discontinuité via. Dans le processus de conception de circuits imprimés à haute fréquence et à grande vitesse, le changement d'impédance est généralement contrôlé dans la plage de ± 10 %, ou une distorsion du signal est éventuellement générée.

Influence de la taille du pad sur la continuité de l'impédance

La capacité parasite présente une influence extrêmement importante sur les points de résonance dans la bande de signal haute fréquence et la largeur de bande souffrira d'un décalage avec la capacité parasite. L'élément principal affectant la capacité parasite est la taille du plot qui a une influence équivalente sur l'intégrité du signal. Ainsi, plus le diamètre de la pastille est élevé, plus la discontinuité d'impédance qu'elle apportera sera avancée.

Lorsque le diamètre du plot change dans la plage de 0,5 mm à 1,3 mm, la discontinuité d'impédance causée par les vias sera constamment réduite. Lorsque la taille du pad augmente de 0,5 mm à 0,7 mm, l'impédance présentera une amplitude de changement relativement importante. Au fur et à mesure que la taille du pad augmente, le changement d'impédance deviendra fluide. Par conséquent, plus le diamètre du plot est grand, plus la discontinuité d'impédance suscitée par les vias sera faible.

Chemin de retour pour les signaux via

Le principe de base de la circulation du signal de retour est que le courant du signal de retour à grande vitesse circule le long du chemin d'inductance le plus bas. Puisqu'une carte PCB contient plus d'un plan de masse, le courant du signal de retour passe directement le long d'un chemin sous les lignes de signal au niveau du plan de masse le plus proche de la ligne de signal. En ce qui concerne la situation où tous les courants de signal d'un point à un autre circulent le long du même plan, si les signaux passent d'un point à un autre via un via, le courant de signal de retour ne pourra pas sauter lorsque la connexion à la terre n'est pas t atteint.

Dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse, un chemin de retour peut être fourni via le courant de signal pour éliminer la non-concordance d'impédance. Autour du via, le via de mise à la terre peut être conçu pour fournir un chemin de retour pour le courant du signal avec une boucle d'inductance générée entre le via du signal et le via de mise à la terre. Même la discontinuité d'impédance se produit en raison de l'influence des vias, le courant pourra circuler vers la boucle d'inductance avec une qualité de signal améliorée.

Intégrité du signal des vias

Les paramètres S peuvent être utilisés pour évaluer l'influence des vias sur l'intégrité du signal, représentant les propriétés de tous les ingrédients du canal, y compris la perte, l'atténuation et la réflexion, etc. Conformément à une série d'expériences exploitées dans cet article, il est indiqué que la mise à la terre via est capable de réduire la perte de transmission et plus les vias de mise à la terre deviennent autour des vias, plus la perte de transmission sera faible. La mise à la terre via l'ajout autour des vias est capable de réduire dans une certaine mesure la perte causée par les vias.

Selon la discussion démontrée ci-dessus dans cet article, deux conclusions peuvent être tirées :
a. La discontinuité d'impédance causée par les vias est affectée par le diamètre des vias et la taille des pastilles. Plus le diamètre du via et le diamètre du plot sont grands, plus la discontinuité d'impédance provoquée sera grave. La discontinuité d'impédance causée par les vias diminue généralement à mesure que la taille de la pastille augmente.
b. L'ajout de vias de mise à la terre peut évidemment s'améliorer via une discontinuité d'impédance qui peut être contrôlée dans la plage de ± 10%. De plus, l'ajout de vias de mise à la terre peut également augmenter l'intégrité du signal.

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