Каждый высокоскоростная печатная плата дизайнер знает эту истину: сигнал не просто идет вперед — он должен еще и вернуться.
Возвратный ток имеет привычку. Он течет в опорной плоскости непосредственно под трассой сигнала.. Когда сигнал меняет слои через переходное отверстие, обратный ток также должен переместиться в новую опорную плоскость. Без моста, это требует объезда. Область петли расширяется, и EMI сразу же возрастает.
Три сценария перехода между слоями
Сценарий 1: Та же плоскость земли. Сигнал перемещается от L1 к L3, оба относятся к заземляющей плоскости L2. Обратный путь остается неизменным. Никаких действий не требуется.
Сценарий 2: Различные наземные плоскости. Сигнал переходит с L1 (ссылка на землю L2) до L6 (ссылка на землю L5). Две заземляющие панели не соединены. Решение: разместитьсшивание через рядом с сигнальным переходом для соединения двух заземляющих плоскостей.
Сценарий 3: Земля к источнику питания. Это самый сложный случай. Сигнал движется от L1 (ссылка на землю L2) до L4 (ссылка на L3 VCC). Питание и земля изолированы по постоянному току. Прямое сквозное соединение невозможно.. Единственное решение – этосшивающий конденсатор, что позволяет высокочастотному обратному току проходить от плоскости питания обратно на землю..
Как далеко следует разместить возврат через?
Расстояние определяет эффективность. Верхняя граница определяется длиной волны на самой высокой частоте, вызывающей беспокойство.. Длина волны в печатная плата диэлектрик:
λ = с / (е × √Дк)
где с - скорость света (3×10⁸ м/с), f — интересующая частота, Dk – эффективная диэлектрическая проницаемость.
Стандартное правило интервалов: Максимум через расстояние ≤ λ/20. Это гарантирует, что зазор между соседними переходными отверстиями будет достаточно мал по отношению к длине волны, чтобы не действовать как эффективная излучающая антенна..
Для материала ФР-4 (Дк ≈ 4), расстояние λ/20 на различных частотах равно:
| Частота | λ в FR-4 | Расстояние λ/20 |
|---|---|---|
| 1 ГГц | 150 мм | 7.5 мм |
| 3 ГГц | 50 мм | 2.5 мм |
| 5 ГГц | 30 мм | 1.5 мм |
| 10 ГГц | 15 мм | 0.75 мм |
| 20 ГГц | 7.5 мм | 0.375 мм |
Практические инженерные правила подтверждают эту тенденцию.: ниже 1 ГГц, держите возврат через внутри 200 мил сигнала через; 1–5 ГГц, в пределах 100 мил; 5–15 ГГц, в пределах 50 мил; выше 15 ГГц, в пределах 20 мил — как можно ближе.
Еще одно широко используемое правило.: в нормальных условиях, расстояние не должно превышать 2,5× толщины диэлектрика.; выше 10 ГГц, затянуть до 1,5×. Например, с толщиной диэлектрического слоя 0.2 мм, возврат через должен быть помещен в пределах 0.5 мм.
Сколько обратных переходов? Каковы параметры?
Выбор количества:
- Несимметричный сигнал через необходим как минимум 1 вернуться через.
- Ниже 5 Гбит / с, 1 достаточно.
- 10–25 Гбит/с: 2 рекомендуется.
- 56 Гбит/с и выше: 3–4 рекомендуется.
Данные измерений показывают, что увеличение с 1 к 4 Обратные переходные отверстия уменьшают вносимые потери более чем 3 дБ при 10 ГГц.
Для дифференциальных пар: как минимум два обратных переходных отверстия должны быть расположены симметрично по обе стороны пары дифференциальных переходных отверстий.. Для частот выше 10 ГГц, рекомендуется четыре обратных отверстия, расположены по диагонали или в виде квадрата вокруг пары переходных отверстий. Симметрия обратного пути так же важна, как и симметрия трассы — асимметричные обратные пути вносят синфазный шум..
Через параметры размеров:
В обычных конструкциях, сигнал через размеры: диаметр сверла 0,2–0,3 мм, подушечка 0,4–0,5 мм, антиподушка 0,6–0,8 мм. Для МПК-2221, стандартный диаметр сквозного отверстия 0.3 мм с диаметром колодки 0.6 мм. IPC-2221 классифицирует минимальные диаметры отверстий по трем классам плотности — Общие сведения (А), Стандартный (Б), и высокая плотность (В) — с допусками максимального диаметра штифта плюс 0.25 мм, 0.20 мм, и 0.15 мм соответственно. Соотношение сторон переходного отверстия обычно ограничивается 10:1.
Выше 10 ГГц, уменьшить диаметр сверла до 0,15–0,2 мм.Критическая точка данных: в 28 Приложения миллиметрового диапазона ГГц, уменьшение за счет диаметра сверла от 0.3 мм до 0.2 мм уменьшает вносимые потери примерно 0.8 дБ/дюйм. В 28 ГГц, даже материалы премиум-класса FR-4 имеют вносимые потери 1–3 дБ/см — каждый децибел напрямую влияет на запас связи.
Паразитная индуктивность отдельного переходного отверстия определяется его геометрией.:
Л_виа ≈ (5.08 × час) × [ведущий(4ч/д) + 1] НГ
где h — длина переходного отверстия в дюймах, а d — диаметр сверла в дюймах.. Типичное сверло диаметром 12 мил при толщине плиты 62 мил дает примерно 0.95 нГн индуктивности, представляющий около 6 Ом импеданса при 1 ГГц.Несколько параллельных обратных переходов пропорционально уменьшают эффективную индуктивность.: L_эффективный = L_via / Н. Вот почему высокочастотные конструкции требуют наличия нескольких обратных переходов — одно отверстие не может подавить межплоскостное сопротивление в одиночку..
Сшивающие конденсаторы: Единственное решение для перехода от питания к земле
При переходе от заземления к источнику питания, единственный вариант - этосшивающий конденсатор.
Выбор конденсатора не может быть произвольным.Конденсатор является емкостным только ниже своей собственной резонансной частоты — выше этой частоты., он становится индуктивным. Рекомендации по выбору:
- Ниже 500 МГц → 100 н.э.
- 500 МГц – 2 ГГц → 10 н.э.
- Выше 2 ГГц → 1 нФ или меньше
Размер упаковки имеет значение: 0201 или 01005 — самая низкая паразитная индуктивность. Эквивалентная последовательная индуктивность (английский как английский язык) конденсатора сшивки должно быть ≤ 0.3 nH, чтобы обеспечить индуктивное сопротивление ниже 1 Ом при 5 ГГц. Высокопроизводительная серверная материнская плата, когда-то использовавшаяся в упаковке 0603 10 нФ конденсаторы (УСЛ = 0.85 НГ) на PCIe 4.0 переулки, в результате чего 23% ухудшение высоты глаза в приемнике и частота ошибок по битам, превышающая порог 10⁻¹².
Размещение: Поместите конденсатор внутрь 50 мил сигнала через, не менее чем с двумя переходными отверстиями с каждого конца в соответствующую плоскость. Инженерная практика рекомендуетмногоэтапная параллельная стратегия: используйте 0,1–1 нФ в качестве первичного сшивающего конденсатора.
Пять жестких правил
- Рядом с каждым сигнальным переходом должен быть обратный переход или сшивающий конденсатор. - как можно ближе.
- Никогда не направляйте сигналы через разделенную опорную плоскость. - если это неизбежно, поместите сшивающий конденсатор в точку пересечения.
- Высокоскоростные сигналы должны преимущественно переходить между слоями, относящимися к одной и той же плоскости. — избегать переходов земля-питание.
- Выберите возврат через интервал в зависимости от частоты — λ/20 — верхний предел, не рекомендуемое значение.
- Когда плоскость мощности служит эталоном, поставить два дополнительных высокочастотных развязывающих конденсатора (0.01 мкФ) возле точки перехода.
Одно предложение, которое стоит запомнить
Прежде чем сигнал меняет слои, сначала спланируйте обратный путь. Обратный ток не заботится о ваших намерениях стека — он следует физике.. Если вы не указали путь, он найдет один — и этот путь будет излучать.
Вам нужно ценовое предложение для вашего следующего проекта высокоскоростной печатной платы? Независимо от того, разрабатываете ли вы объединительные платы 10G Ethernet, Интерфейсы PCIe Gen5/6, или ВЧ-платы 5G mmWave, Правильный возврат через размещение имеет решающее значение для успеха первого прохода.Свяжитесь с нашей командой по проектированию и производству печатных плат сегодня, чтобы получить бесплатный обзор DFM и быстрое ценовое предложение..
Декларация источника данных
Технические данные и правила проектирования, приведенные в этой статье, взяты из следующих авторитетных источников.:
- МПК-2221С -Общий стандарт проектирования печатных плат — по диаметру отверстия, подушечка, Соотношение сторон, и другие характеристики конструкции
- МПК-6012Ф -Квалификационные и эксплуатационные характеристики жестких печатных плат — требования к допускам отверстий и классу изготовления.
- Академические ресурсы Cadence — РЧ-переходы в высокоскоростных конструкциях
