Εισαγωγή: Μια Απογοητευτική Εμπειρία Εντοπισμού Σφαλμάτων

Πέρυσι, σε ένα έργο, ένας 16-bit ADC απέκτησε δεδομένα αισθητήρων. Ο μετρούμενος θόρυβος ήταν εξαιρετικά υψηλός, με το SNR σχεδόν 15dB χαμηλότερο από την θεωρητική τιμή. Αφού ελέγξαμε τα πάντα, η κυμάτωση της τροφοδοσίας ήταν εντάξει, η πηγή τάσης αναφοράς ήταν σταθερή και προστέθηκαν επαρκείς πυκνωτές αποσύζευξης γύρω από τον ADC. Τέλος, το πρόβλημα ανακαλύφθηκε σε ένα διακριτικό σημείο — χρησιμοποιήθηκε ένα via για τη γραμμή σήματος αναλογικής εισόδου, και μεταφέρθηκε σε ένα εσωτερικό επίπεδο.

Εκείνη την εποχή, αυτό το via βρισκόταν λιγότερο από 3mm μακριά από το via της γραμμής ψηφιακού ρολογιού. Μετά την επανασχεδίαση, η τοποθέτηση όλων των αναλογικών σημάτων στο επάνω επίπεδο έλυσε αμέσως το πρόβλημα. Αυτή η εμπειρία ήταν αρκετά επώδυνη και μου έδωσε μια βαθύτερη κατανόηση του θέματος των "vias γραμμών αναλογικών σημάτων".

Στην πραγματικότητα, αυτό το πρόβλημα είναι αρκετά συνηθισμένο. Πολλοί μηχανικοί έχουν πολωμένες στάσεις απέναντι στα vias κατά τον σχεδιασμό PCB: είτε φοβούνται να τα χρησιμοποιήσουν, θέλοντας να δρομολογήσουν όλες τις γραμμές στο ίδιο επίπεδο· είτε τα χρησιμοποιούν απερίσκεπτα, αγνοώντας εντελώς τα vias. Και οι δύο ακρότητες μπορούν να οδηγήσουν σε προβλήματα.

Τι αντίκτυπο έχουν τα vias στα αναλογικά σήματα;

Για να καταλάβουμε πότε να χρησιμοποιούμε vias και πότε όχι, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι κάνουν τα vias στα αναλογικά σήματα. Ένα via δεν είναι απλώς μια "σύνδεση καλωδίου"· είναι ουσιαστικά μια δομή με παρασιτική αυτεπαγωγή και χωρητικότητα.

Ένα through-hole με διάμετρο 0,3mm έχει παρασιτική αυτεπαγωγή περίπου 0,5~1,2nH και παρασιτική χωρητικότητα 0,3~0,8pF. Αυτές οι τιμές φαίνονται μικρές, αλλά ο αντίκτυπός τους στα αναλογικά σήματα μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερος από ό,τι φαντάζεστε.

Ο Αντίκτυπος της Παρασιτικής Αυτεπαγωγής
Η παρασιτική αυτεπαγωγή αλληλεπιδρά με τη χωρητικότητα στη διαδρομή του σήματος για να δημιουργήσει ένα φαινόμενο φιλτραρίσματος LC, οδηγώντας σε εξασθένηση των υψηλών συχνοτήτων. Αυτό το φαινόμενο είναι σημαντικό για αναλογικά σήματα υψηλής συχνότητας (όπως τα RF front-ends). Από την εμπειρία μου, σε συχνότητες άνω των 500MHz, η απώλεια εισαγωγής ενός μόνο via μπορεί να φτάσει τα 0,2~0,5dB.

Πιο προβληματικό είναι ότι η αυτεπαγωγή επιβραδύνει τις ακμές ανόδου και καθόδου του σήματος. Για αναλογικά σήματα υψηλής ταχύτητας, αυτό μεταφράζεται σε απώλεια εύρους ζώνης. Για σήματα ρολογιού δειγματοληψίας, μια επιβραδυνόμενη ακμή εισάγει άμεσα jitter, επηρεάζοντας το SNR του ADC.

Ο Αντίκτυπος της Παρασιτικής Χωρητικότητας

Η παρασιτική χωρητικότητα είναι πιο ύπουλη. Η χωρητικότητα σχηματίζεται μεταξύ του pad του via και του επιπέδου αναφοράς, η οποία εφαρμόζεται στη γραμμή σήματος, προκαλώντας πτώση σύνθετης αντίστασης. Για κόμβους υψηλής σύνθετης αντίστασης (όπως η είσοδος του op-amp), αυτή η χωρητικότητα σχηματίζει έναν διαιρέτη τάσης με τη σύνθετη αντίσταση πηγής, οδηγώντας σε εξασθένηση σήματος.

[Μελέτη Περίπτωσης] Σε ένα κύκλωμα ακριβούς μέτρησης, η σύνθετη αντίσταση εισόδου του op-amp είναι 1MΩ, και η παρασιτική χωρητικότητα του via είναι 0,5pF. Στα 100kHz, η σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή είναι περίπου 3,2MΩ, και το φαινόμενο δεν είναι σημαντικό. Ωστόσο, στα 10MHz, η σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή πέφτει στα 32kΩ, και το σήμα εξασθενεί κατά 30 φορές!

Stub Effect: Ένα Παραμελημένο Παγίδα
Εάν ένα via δεν χρησιμοποιείται πλήρως (π.χ., από το L1 στο L3, αλλά το via διατρέχει ολόκληρη την πλακέτα), το κάτω μισό του via γίνεται ένα "stub". Αυτό το stub λειτουργεί σαν κεραία, συντονίζοντας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού είναι: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Όπου L είναι το μήκος του stub, και Dk_eff είναι η αποτελεσματική διηλεκτρική σταθερά. Η απώλεια εισαγωγής αυξάνεται δραματικά όταν το μήκος του stub φτάσει το ένα τέταρτο του μήκους κύματος. Για μια τυπική τετραπλή πλακέτα πάχους 1,6mm, η συχνότητα συντονισμού του stub είναι περίπου 10~15GHz. Ωστόσο, εάν η πλακέτα είναι παχύτερη ή το stub είναι μακρύτερο, η συχνότητα συντονισμού θα είναι χαμηλότερη, επηρεάζοντας αναλογικά σήματα υψηλότερης συχνότητας.

【Προειδοποίηση】Το φαινόμενο του stub δεν είναι γραμμικό. Η ποιότητα του σήματος επιδεινώνεται δραματικά κοντά στη συχνότητα συντονισμού. Εάν η συχνότητα του αναλογικού σήματός σας συμπίπτει με το σημείο συντονισμού, οι συνέπειες μπορεί να είναι σοβαρές.

Διακοπή Επιστροφής Ρεύματος

Αυτός είναι ο μεγαλύτερος κρυφός κίνδυνος των vias αναλογικών σημάτων. Όταν ένα σήμα αλλάζει επίπεδο, το ρεύμα επιστροφής αλλάζει επίσης επίπεδο. Εάν το σήμα αλλάζει από L1 σε L3, το ρεύμα επιστροφής, που αρχικά έρρεε στο επίπεδο γείωσης του L2, τώρα πρέπει να βρει μια διαδρομή πίσω στο αντίστοιχο επίπεδο γείωσης του L3.

Χωρίς κατάλληλα vias γείωσης, το ρεύμα επιστροφής πρέπει να ακολουθήσει μια μεγαλύτερη διαδρομή, σχηματίζοντας έναν μεγάλο βρόχο ρεύματος. Αυτός ο βρόχος λειτουργεί σαν κεραία, εκπέμποντας και λαμβάνοντας παρεμβολές. Για ασθενή αναλογικά σήματα, αυτό είναι θανατηφόρο.

Πότε μπορείτε να χρησιμοποιήσετε vias;

Έχοντας συζητήσει τόσους πολλούς κινδύνους, σημαίνει αυτό ότι τα αναλογικά σήματα δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν καθόλου vias; Όχι απαραίτητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η χρήση vias είναι λογική, ακόμη και απαραίτητη.

Αναλογικά σήματα χαμηλής συχνότητας μπορούν να χρησιμοποιήσουν vias.

Αναλογικά σήματα με συχνότητες κάτω των 10MHz δεν είναι πολύ ευαίσθητα στις παρασιτικές παραμέτρους των vias. Συνηθισμένα σήματα ήχου, DC bias και σήματα αισθητήρων χαμηλής ταχύτητας μπορούν να χρησιμοποιήσουν με ασφάλεια vias για αλλαγή επιπέδου. Απλά προσέξτε να μην χρησιμοποιήσετε πάρα πολλά.

Προσωπικά, πιστεύω ότι ο αντίκτυπος των vias στα σήματα DC και χαμηλής συχνότητας είναι αμελητέος. Εκτός αν το σήμα σας είναι εξαιρετικά ασθενές (στην περιοχή των μικροβόλτ), μην ανησυχείτε πολύ.

Οι γραμμές τροφοδοσίας και γείωσης πρέπει να χρησιμοποιούν vias.

Η χρήση vias για γραμμές τροφοδοσίας και γείωσης είναι απαραίτητη, και θα πρέπει να χρησιμοποιείτε πολλά. Τα Δίκτυα Διανομής Τροφοδοσίας (PDNs) απαιτούν διαδρομές χαμηλής σύνθετης αντίστασης, και η αυτεπαγωγή των vias είναι ένα σημείο συμφόρησης. Η ισοδύναμη αυτεπαγωγή μειώνεται με παράλληλες συνδέσεις.

【Σύσταση】Για vias τροφοδοσίας, συνιστώνται τουλάχιστον 2-3 vias για ρεύμα 1A. Απαιτούνται περισσότερα vias για εφαρμογές υψηλού ρεύματος (π.χ., είσοδοι μονάδων τροφοδοσίας)· μην τσιγκουνευτείτε τον χώρο.

Τα Vias μπορούν να χρησιμοποιηθούν όταν υπάρχει αντίστοιχη διαδρομή επιστροφής.

Εάν ένα via γείωσης βρίσκεται δίπλα σε ένα via σήματος, και το via γείωσης είναι πολύ κοντά στο via σήματος (ιδανικά λιγότερο από 100mil), η διαδρομή επιστροφής είναι πλήρης. Σε αυτή την περίπτωση, ο αντίκτυπος των vias στα αναλογικά σήματα μειώνεται σημαντικά.

Συγκεκριμένα, κάθε φορά που ένα via σήματος αλλάζει επίπεδο, τοποθετήστε ένα via γείωσης δίπλα του για να συνδέσετε τα επίπεδα γείωσης των παλιών και νέων επιπέδων. Για διαφορικά σήματα, είναι καλύτερο να τοποθετήσετε ένα via γείωσης μεταξύ δύο vias σημάτων.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν blind vias/buried vias.

Τα blind vias συνδέουν μόνο ένα εξωτερικό επίπεδο με ένα εσωτερικό επίπεδο, και τα buried vias συνδέουν μόνο ένα εσωτερικό επίπεδο· οι παρασιτικές τους παράμετροι είναι πολύ μικρότερες από αυτές των through-hole vias. Το πιο σημαντικό, τα blind και buried vias δεν δημιουργούν μακριά stubs, καθιστώντας τα πολύ πιο φιλικά προς τα σήματα υψηλής συχνότητας.

Εάν το κόστος το επιτρέπει, τα blind ή buried vias θα πρέπει να προτιμώνται για αναλογικά κυκλώματα υψηλής ακρίβειας και υψηλής συχνότητας. Ειδικά για ADCs 24-bit και άνω και κυκλώματα RF GHz-επιπέδου, τα blind και buried vias είναι σχεδόν στάνταρ.

Πότε δεν πρέπει να χρησιμοποιείτε vias;

Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι καλύτερο να αποφεύγετε τα vias για γραμμές αναλογικών σημάτων, ή να είστε εξαιρετικά προσεκτικοί.

Αναλογικά σήματα υψηλής ακρίβειας απαιτούν προσοχή.

Για ADCs/DACs 16-bit και άνω, ή συστήματα με απαιτήσεις λόγου σήματος προς θόρυβο άνω των 80dB, η διαδρομή του αναλογικού σήματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο καθαρή. Οι παρασιτικές παράμετροι που εισάγονται από τα vias μπορούν να οδηγήσουν σε αυξημένα σφάλματα κβάντωσης και επιδείνωση του INL/DNL.

[Παράδειγμα] Ένα σύστημα απόκτησης δεδομένων 24-bit σχεδιάστηκε με θεωρητικό SNR 112dB. Η πραγματική δοκιμή έδειξε μόνο 95dB. Μετά από έρευνα, διαπιστώθηκε ότι οι γραμμές αναλογικής εισόδου είχαν vias, και το σημείο συντονισμού του stub έπεφτε ακριβώς στο άκρο του εύρους ζώνης του σήματος. Μετά την αλλαγή της δρομολόγησης στο ίδιο επίπεδο, το SNR βελτιώθηκε σε 108dB.

Να είστε προσεκτικοί με αναλογικά σήματα υψηλής συχνότητας.

Για αναλογικά σήματα άνω των 100MHz (RF, υψηλής ταχύτητας ρολόι), η παρασιτική αυτεπαγωγή των vias μπορεί να γίνει σημείο συμφόρησης. Οι ακμές του σήματος θα υποβαθμιστούν, θα εμφανιστούν ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης, οδηγώντας σε ανακλάσεις.

Για αλλαγή επιπέδου σημάτων RF, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε ειδικά σχεδιασμένες δομές via, σε συνδυασμό με βελτιστοποίηση anti-pad και περίφραξη με via γείωσης. Η απλή τοποθέτηση συνηθισμένων vias απευθείας θα οδηγήσει σε κακό VSWR.

Μην τοποθετείτε vias κάτω από ευαίσθητες αναλογικές περιοχές.

Αποφύγετε την τοποθέτηση άσχετων vias κοντά σε ευαίσθητα κυκλώματα όπως ταλαντωτές κρυστάλλου, βρόχοι κλειδώματος φάσης, πηγές τάσης αναφοράς και κόμβοι εισόδου υψηλής σύνθετης αντίστασης. Τα vias μπορούν να διαταράξουν την ακεραιότητα του επιπέδου γείωσης και να "καθοδηγήσουν" θόρυβο από άλλα επίπεδα.

【Σημείωση】Ειδικά για vias ψηφιακών σημάτων, ποτέ μην περνάτε μέσα από περιοχές αναλογικών κυκλωμάτων. Ο θόρυβος υψηλής συχνότητας από ψηφιακά σήματα μπορεί να συζευχθεί σε αναλογικές γραμμές μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας των vias. Από την εμπειρία μου, τα ψηφιακά vias πρέπει να απέχουν τουλάχιστον 10mm από ευαίσθητα αναλογικά κυκλώματα.

Να είστε προσεκτικοί όταν το επίπεδο γείωσης διακόπτεται.

Εάν τα vias είναι πυκνά τοποθετημένα, δημιουργώντας ένα μεγάλο παράθυρο (anti-pad) στο επίπεδο γείωσης, η συνέχεια του επιπέδου γείωσης διακόπτεται. Το ρεύμα επιστροφής αναγκάζεται να κάνει παράκαμψη, σχηματίζοντας μια κεραία βρόχου.

Αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα σοβαρό σε μικτές πλακέτες σημάτων. Εάν η αναλογική γείωση διακόπτεται από vias, ο ψηφιακός θόρυβος μπορεί να εισχωρήσει στην αναλογική περιοχή μέσω διαδρομών σύζευξης.

Πρακτικές Θεωρήσεις Σχεδιασμού

Έχοντας κατανοήσει τις αρχές και τα όρια, πώς πρέπει να προχωρήσουμε στον πραγματικό σχεδιασμό; Εδώ είναι μερικές προσωπικές συμβουλές:

Σχεδιάστε τη στρατηγική δρομολόγησής σας για να ελαχιστοποιήσετε τις αλλαγές επιπέδου.

Τα καλύτερα vias είναι αυτά που δεν είναι τρυπημένα. Κατά τη φάση τοποθέτησης, ορίστε σαφώς τη διαδρομή δρομολόγησης και προσπαθήστε να διασφαλίσετε ότι τα κρίσιμα αναλογικά σήματα ολοκληρώνονται στο ίδιο επίπεδο. Εάν μια αλλαγή επιπέδου είναι απολύτως απαραίτητη, δώστε προτεραιότητα στην αλλαγή κοντά στα pins του τσιπ, και αποφύγετε το ξαφνικό τρύπημα vias στη μέση της γραμμής.

Βελτιστοποίηση Παραμέτρων Via

Εάν τα vias είναι απαραίτητα, βελτιστοποιήστε τα στο έπακρο:

• Μικρότερη διάμετρος via:0,2mm ή μικρότερη, με αποτέλεσμα χαμηλότερες παρασιτικές παραμέτρους.
• Κατάλληλη διεύρυνση των anti-pads:Το στάνταρ είναι 10mil, τα σήματα υψηλής ταχύτητας μπορούν να διευρυνθούν σε 20~30mil.
• Τα pads δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλα:Υπερβολικά μεγάλα pads αυξάνουν την παρασιτική χωρητικότητα και καταλαμβάνουν χώρο.

Αντίστοιχα Vias Επιστροφής

Για κάθε via σήματος, εξετάστε τη διαδρομή επιστροφής. Εάν το σήμα αλλάζει από L1 σε L3, και το επίπεδο γείωσης είναι στο L2, τότε ένα via γείωσης πρέπει να τοποθετηθεί δίπλα στο via σήματος για να συνδέσει τις γειώσεις των L2 και L3.

Το via γείωσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο via σήματος· εντός 100mil είναι ένα ασφαλές εύρος. Εντός 50mil είναι ακόμη καλύτερο.

Διαχωρισμός και Απομόνωση Αναλογικών-Ψηφιακών

Για μικτές πλακέτες σημάτων, οι αναλογικές και ψηφιακές περιοχές πρέπει να είναι φυσικά απομονωμένες. Τα vias πρέπει επίσης να είναι διαχωρισμένα, με αναλογικά vias στην αναλογική περιοχή και ψηφιακά vias στην ψηφιακή περιοχή. Μην αφήνετε τα ψηφιακά vias να "διασχίζουν" την αναλογική περιοχή.

Εάν υπάρχουν μικτές συσκευές σημάτων όπως ADCs/DACs, τοποθετήστε vias κοντά στις συσκευές για να αποτρέψετε τα αναλογικά σήματα από το να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις μέσω της ψηφιακής περιοχής.

Επαλήθευση Προσομοίωσης:

Για σχεδιασμούς υψηλής ταχύτητας και υψηλής ακρίβειας, μην βασίζεστε μόνο στην εμπειρία. Χρησιμοποιήστε εργαλεία προσομοίωσης SI για να ελέγξετε τη σύνθετη αντίσταση, την ανάκλαση και την απώλεια εισαγωγής των vias. Ειδικά το σημείο συντονισμού του stub· η προσομοίωση θα το αποκαλύψει αμέσως.

Κοινές Παρανόησεις Διευκρινίστηκαν:

• "Λιγότερα vias είναι καλύτερα"

—Όχι εντελώς αλήθεια. Τα vias σημάτων πρέπει πράγματι να είναι λιγότερα, αλλά τα vias τροφοδοσίας και γείωσης πρέπει να είναι περισσότερα. Το κλειδί είναι να τα αντιμετωπίζουμε διαφορετικά.

• "Η αναλογική γείωση πρέπει να διαχωρίζεται από την ψηφιακή γείωση"

—Όχι απόλυτα. Απλά συστήματα συχνά επωφελούνται από ένα ενοποιημένο επίπεδο γείωσης. Σύνθετα συστήματα απαιτούν διαχωρισμό, και ακόμη και τότε, απαιτούνται συνδέσεις ενός σημείου.

• "Τα blind vias είναι πολύ ακριβά και περιττά"

—Εξαρτάται από την εφαρμογή. Για ADCs 24-bit και RF GHz, τα blind vias είναι μια αξιόλογη επένδυση. Για συνηθισμένες εφαρμογές, είναι πράγματι περιττά.

Σύνοψη:

Μπορούν οι γραμμές αναλογικών σημάτων να χρησιμοποιούν vias; Η απάντηση είναι: Εξαρτάται. Οι χαμηλές συχνότητες δεν είναι ευαίσθητες, οπότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν vias· η υψηλή ακρίβεια απαιτεί προσοχή, οπότε αποφύγετε τα vias αν είναι δυνατόν· οι υψηλές συχνότητες απαιτούν ειδικό χειρισμό, και εάν χρησιμοποιηθούν, οι παράμετροι πρέπει να βελτιστοποιηθούν. Οι βασικές αρχές είναι:

• Αποφύγετε τα vias αν είναι δυνατόν;

Σχεδιάστε καλά τη στρατηγική δρομολόγησής σας για να μειώσετε τις αλλαγές επιπέδου.

• Εάν πρέπει να χρησιμοποιήσετε vias, χρησιμοποιήστε τα καλά;

Βελτιστοποιήστε τη διάμετρο των vias, τα anti-pads, και χρησιμοποιήστε αντίστοιχα vias επιστροφής.

• Παρακάμψτε ευαίσθητα σήματα;

Δρομολογήστε αναλογικά σήματα υψηλής ακρίβειας και υψηλής συχνότητας στο επάνω επίπεδο για να αποφύγετε stubs.

• Διαχωρίστε αναλογικά και ψηφιακά σήματα;

Μην διασχίζετε ζώνες με vias για να αποφύγετε σύζευξη θορύβου.

• Προσομοιώστε και επαληθεύστε;

Μην βασίζεστε μόνο στην εμπειρία για σχεδιασμούς υψηλής ταχύτητας και υψηλής ακρίβειας.

Αν και τα vias είναι μικρά, υπάρχουν πολλά να μάθουμε. Κατανοήστε τις αρχές, πιάστε τα όρια, και τα vias αναλογικών σημάτων δεν θα γίνουν παγίδες στους σχεδιασμούς σας. Ελπίζω αυτή η εμπειρία να είναι χρήσιμη.