Fiecare PCB de mare viteză designerul cunoaște acest adevăr: un semnal nu se deplasează doar înainte, ci trebuie și să se întoarcă.
Curentul de revenire are un obicei. Acesta curge pe planul de referință direct sub traseul semnalului. Când semnalul schimbă straturile printr-o via, curentul de retur trebuie să se deplaseze și în noul plan de referință. Fără punte, este nevoie de un ocol. Zona buclei se extinde, iar EMI crește imediat.
Trei scenarii de tranziție de straturi
Scenariu 1: Același plan de sol. Semnalul se deplasează de la L1 la L3, ambele făcând referire la planul de masă L2. Calea de întoarcere rămâne neschimbată. Nu este necesară nicio acțiune.
Scenariu 2: Planuri de sol diferite. Semnalul trece de la L1 (făcând referire la pământul L2) la L6 (referitor la pământ L5). Cele două planuri de masă nu sunt conectate. Solutia: locul acusatura prin lângă semnalul via pentru a uni cele două planuri de masă.
Scenariu 3: Referință de la masă la putere. Acesta este cazul cel mai provocator. Semnalul se deplasează de la L1 (făcând referire la pământul L2) la L4 (referindu-se la L3 VCC). Alimentarea și împământarea sunt izolate în curent continuu. O conexiune directă prin intermediul este imposibilă. Singura solutie este acondensator de cusătură, ceea ce permite curentului de retur de înaltă frecvență să cupleze din planul de putere înapoi la masă.
Cât de departe ar trebui să plasați returul prin?
Distanța determină eficacitatea. Limita superioară este guvernată de lungimea de undă la cea mai mare frecvență de îngrijorare. Lungimea de undă în PCB dielectric este:
λ = c / (f × √Dk)
unde c este viteza luminii (3×10⁸ m/s), f este frecvența dobânzii, iar Dk este constanta dielectrică efectivă.
Regula standard de spațiere: Maxim prin spațiere ≤ λ/20. Acest lucru asigură că distanța dintre căile adiacente este suficient de mică în raport cu lungimea de undă pentru a evita să acționeze ca o antenă radiantă eficientă..
Pentru material FR-4 (Dk ≈ 4), distanța λ/20 la diferite frecvențe este:
| Frecvenţă | λ în FR-4 | λ/20 Spațiere |
|---|---|---|
| 1 GHz | 150 mm | 7.5 mm |
| 3 GHz | 50 mm | 2.5 mm |
| 5 GHz | 30 mm | 1.5 mm |
| 10 GHz | 15 mm | 0.75 mm |
| 20 GHz | 7.5 mm | 0.375 mm |
Regulile practice de inginerie confirmă această tendință: de mai jos 1 GHz, păstrați returul prin interior 200 mil de semnal via; 1-5 GHz, în 100 mil; 5-15 GHz, în 50 mil; mai sus 15 GHz, în 20 mil — cât mai aproape.
O altă regulă generală folosită pe scară largă: in conditii normale, distanța nu trebuie să depășească 2,5 × grosimea dielectricului; mai sus 10 GHz, strângeți la 1,5×. De exemplu, cu o grosime a stratului dielectric de 0.2 mm, retur prin trebuie să fie plasat în interior 0.5 mm.
Câte Retur Vias? Care sunt parametrii?
Selectarea cantității:
- Un semnal cu un singur capăt are nevoie de cel puțin 1 întoarcere prin.
- De mai jos 5 GBPS, 1 este suficient.
- 10-25 Gbps: 2 recomandat.
- 56 Gbps și mai sus: 3-4 recomandate.
Datele măsurate arată că în creștere de la 1 la 4 return vias îmbunătățește pierderea de inserție cu mai mult de 3 dB la 10 GHz.
Pentru perechi diferențiale: cel puțin două căi de retur ar trebui să fie plasate simetric pe ambele părți ale perechii diferenţiale. Pentru frecvențele de mai sus 10 GHz, sunt recomandate patru căi de retur, dispuse în diagonală sau într-un model pătrat înconjoară perechea via. Simetria căii de întoarcere este la fel de critică ca și simetria urmelor - căile de întoarcere asimetrice introduc zgomot de mod comun.
Prin parametrii de dimensiune:
În modelele convenționale, semnal prin dimensiuni sunt: diametrul burghiului 0,2–0,3 mm, tampon 0,4–0,5 mm, anti-pad 0,6–0,8 mm. Pentru IPC-2221, Diametrul standard de gaură traversant este 0.3 mm cu diametrul plăcuței 0.6 mm. IPC-2221 clasifică diametrele minime ale găurilor în trei grade de densitate - General (O), Standard (B), și de înaltă densitate (C.) — cu toleranțe ale diametrului maxim al știftului plus 0.25 mm, 0.20 mm, şi 0.15 mm respectiv. Raportul de aspect via este în general limitat la 10:1.
Mai sus 10 GHz, reduceți diametrul burghiului la 0,15–0,2 mm.Un punct critic de date: în 28 Aplicații mmWave GHz, reducând prin diametrul burghiului de la 0.3 mm la 0.2 mm îmbunătățește pierderea de inserție cu aproximativ 0.8 db/inch. La 28 GHz, chiar și materialele premium FR-4 prezintă pierderi de inserție de 1–3 dB/cm - fiecare decibel reduce direct marginea legăturii.
Inductanța parazită a unei singure via este determinată de geometria acesteia:
L_via ≈ (5.08 × h) × [ln(4h/d) + 1] nH
unde h este lungimea traversei în inci și d este diametrul forajului în inci. Un burghiu tipic de 12 mil în grosime de placă de 62 mil dă aproximativ 0.95 nH de inductanță, reprezentând aproximativ 6 Ω de impedanță la 1 GHz.Mai multe căi de întoarcere paralele reduc proporțional inductanța efectivă: L_eficient = L_via / N. Acesta este motivul pentru care proiectele de înaltă frecvență necesită mai multe căi de întoarcere - o singură cale nu poate suprima impedanța interplanului singură.
Condensatori de cusătură: Singura soluție pentru tranzițiile de la putere la pământ
La trecerea de la o referință de masă la o referință de putere, singura varianta este acondensator de cusătură.
Selectarea condensatorului nu poate fi arbitrară.Un condensator este capacitiv doar sub frecvența sa de auto-rezonanță - deasupra acesteia, devine inductiv. Ghid de selecție:
- De mai jos 500 MHz → 100 nF
- 500 MHz – 2 GHz → 10 nF
- Mai sus 2 GHz → 1 nF sau mai mic
Dimensiunea pachetului contează: 0201 sau 01005 — cea mai mică inductanță parazitară. Inductanța în serie echivalentă (ESL) a unui condensator de cusătură trebuie să fie ≤ 0.3 nH pentru a asigura reactanța inductivă mai jos 1 Ω la 5 GHz. O placă de bază pentru server de ultimă generație folosită cândva, ambalată în 0603 10 condensatoare nF (ESL = 0.85 nH) pe PCIe 4.0 benzi, rezultând 23% degradarea înălțimii ochilor la receptor și rata de eroare de biți care depășește pragul de 10⁻¹².
Plasarea: Puneți condensatorul în interior 50 mil de semnal via, cu cel puțin două vias de la fiecare capăt la planul corespunzător. Practica de inginerie recomandă astrategie paralelă în mai multe etape: utilizați 0,1–1 nF ca condensator de cusătură primar.
Cinci reguli grele
- Fiecare semnal prin intermediul trebuie să aibă o cale de întoarcere sau un condensator de cusătură în apropiere — cât mai aproape posibil.
- Nu direcționați niciodată semnalele peste o divizare a planului de referință — dacă este inevitabil, plasați un condensator de cusătură în punctul de trecere.
- Semnalele de mare viteză ar trebui să facă tranziția de preferință între straturi care fac referire la același plan — evitați tranzițiile de la sol la putere.
- Selectați întoarcerea prin spațiere în funcție de frecvență — λ/20 este limita superioară, nu este valoarea recomandată.
- Când un avion de putere servește drept referință, plasați doi condensatori suplimentari de decuplare de înaltă frecvență (0.01 µF) lângă punctul de tranziție.
O propoziție de reținut
Înainte ca un semnal să schimbe straturile, planificați mai întâi calea de întoarcere. Curentul de returnare nu-i pasă de intențiile tale de stivuire - urmărește fizica. Dacă nu furnizați o cale, va găsi una — și acea cale va radia.
Aveți nevoie de o ofertă pentru următorul proiect PCB de mare viteză? Indiferent dacă proiectați backplane Ethernet 10G, Interfețe PCIe Gen5/6, sau plăci RF 5G mmWave, revenirea corectă prin plasare este esențială pentru succesul primului pasaj.Contactați astăzi echipa noastră de proiectare și producție PCB pentru o revizuire DFM gratuită și o ofertă rapidă.
Declarația surselor de date
Datele tehnice și regulile de proiectare citate în acest articol sunt derivate din următoarele surse autorizate:
- IPC-2221C -Standard generic pentru designul plăcii imprimate — prin diametrul găurii, pad, raportul de aspect, și alte specificații de proiectare
- IPC-6012F -Specificații de calificare și performanță pentru plăci imprimate rigide — toleranța la găuri și cerințele privind clasa de fabricație
- Cadence Resurse academice — RF prin tranziții în proiecte de mare viteză
