česky english Vítejte, dnes je neděle 17. říjen 2021

Vliv via otvoru na signal integrity

Mnozí návrháři DPS se zajímají o možnost simulování via otvoru desky s ohledem na impedanci a celistvost přenosu signálu (signal integrity), protože potřebují dodržet konstantní impedanci plošného spoje. Úplné modelování via otvoru vyžaduje specializované nástroje, ale existuje i několik docela jednoduchých, efektivních a cenově dostupných možností, které vedou k omezení vlivu via otvorů. Navíc je někdy i přehlédnuta skutečnost, že na přenos signálu má daleko větší vliv nepoužitá část via otvoru (via stub), než jeho vlastní geometrie.

Zde si vysvětlíme, jak při dané pracovní frekvenci nebo bit rate zjistit, jestli je potřeba snížit nebo omezit vliv nepoužité části via otvoru (via stubs).

Nespojitost plošného spoje

Elektrické signály se šíří na desce kovovými, obvykle měděnými plošnými spoji. Každý kousek mědi, který vzájemně spojuje připojené součástky nazýváme „net“. Plošné spoje pro daný „net“ vykazují určitou charakteristickou impedanci, která je zčásti dána průřezem plošného spoje a jeho geometrií. Pokud je impedance stejná, signál se šíří jako nezkreslený. Změna v impedanci způsobí, že se část signálu v místě změny impedance odrazí. Odraz signálu způsobí jeho deformaci. O příčině, která způsobí změnu impedance, mluvíme jako o nespojitosti (discontinuity). Nespojitost může být důsledkem např. nedokončeného spoje, změny šířky plošného spoje, odbočky v plošném spoji nebo via otvor přenášející signál do jiné vrstvy – viz obr. 1.

Obr. 1 Stub – nepoužitá část via

Obr. 1 Stub – nepoužitá část via

Modelování via otvoru

Via otvor představuje krátkou část změny v geometrii „netu“ a může se jevit jako kapacitní a/nebo induktivní diskontinuita, která vede k odrazům a částečné degradaci signálu při jeho průchodu via otvorem. V mnoha případech však budou výsledkem odrazy, které jsou z praktického hlediska zanedbatelné, zejména pokud elektrická délka via otvoru (délka vztažená k vlnové délce) je malá v porovnání s náběžnou hranou signálu.

Via otvory by měly být provedeny tak, aby na nich zpoždění signálu bylo podstatně kratší, než je doba náběžné hrany signálu. Pokud se doba náběžné hrany blíží zpoždění na via otvoru, potom je nezbytné chování via otvoru přesně modelovat např. v 3D „field solver”. Avšak způsob, jakým se daný signál přenáší takovým via otvorem, není v žádném případě dobrý.

Via Stubs

Na obr. 1 je zobrazen via otvor, který je provrtán skrz desku. Proud teče pouze horní částí via otvoru, která spojuje dva připojené plošné spoje. Via otvor bývá obvykle podstatně kratší než je délka plošných spojů, ale v tomto případě nepoužitá část via otvoru (via stub) představuje problém. Tato část via otvoru není zapojena v sérii se zbytkem obvodu a představuje neukončenou přenosovou linku s výrazným zhoršením kvality signálu kolem jeho rezonančního kmitočtu (daného čtvrtinou vlnové délky struktury). Čím delší je nepoužitá část via otvoru, tím je i větší diskontinuita impedance a tím také větší ztráta přenosu signálu. Obecně platí, že nepoužitá část via otvoru (via stub) představuje pro signál větší zhoršení kvality než vlastní via otvor.

Back-drilling

Nepoužité části via otvorů jsou v elektrickém obvodu zbytečné a často jsou proto odstraněny odvrtáním pokovení z druhé strany desky (back-drilling). Pro odvrtání se používá vrták o trochu větší, než je původní velikost otvoru před pokovením. Odvrtání zajistí výrazné zlepšení, zejména, když délka nepoužité části via otvoru je větší (např. u 10vrstvé desky via otvor propojuje pouze vrstvu 1 a 2). Odvrtání zlepší impedanční přizpůsobení a snižuje rezonanci, což má za výsledek snížení utlumení signálu, sníženi EMI/EMC vyzařování a přeslechů mezi via otvory. Kompletní analýza chování nepoužité části via otvoru je možná použitím 3D full-wave simulace, ale platí obvyklé pravidlo dělat nepoužité části via otvorů co nejkratší.

Obr. 2 Nastavení údajů při analýze v programu Si9000

Obr. 2 Nastavení údajů při analýze v programu Si9000

Kontrola via stubs u Si9000

Software Si9000 firmy Polar Instruments analyzuje vliv nepoužitých částí via otvorů na kvalitu procházejícího signálu. Program vyhodnocuje kvalitu procházejícího signálu na základě délky nepoužité časti via otvorů, dielektrické konstanty Er použitého materiálu plošného spoje a doby náběžných hran signálu případně jeho kmitočtu.

Jednoduché interaktivní ovládání programu dovoluje rychlé provedení analýzy. Na základě změny vstupních parametrů, kterými jsou délka via stup (SL), dielektrická konstanta (Er) a údaje o časování náběžných hran (Rise Time) případně kmitočtu signálu (Mbit/sec), si může vývojový pracovník udělat obrázek o chování signálu při průchodu spojem (obr. 2).

Obr. 3 Indikace problému u via stub

Obr. 3 Indikace problému u via stub

Si9000 kalkuluje výsledek a podle toho změní barvu nepoužité části via otvoru (obr. 3). Od zelené barvy, která indikuje dobrý výsledek, přes žlutou až k červené (největší problémy).

www.polarinstruments.com

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik