Giriş: Sinir Bozucu Bir Hata Ayıklama Deneyimi

Geçen yıl bir projede, 16-bit bir ADC sensör verilerini topluyordu. Ölçülen gürültü son derece yüksekti, SNR teorik değerden neredeyse 15dB daha düşüktü. Her şeyi kontrol ettikten sonra, güç kaynağı dalgalanması iyiydi, referans voltaj kaynağı stabildi ve ADC etrafına yeterli dekuplaj kapasitörleri eklenmişti. Sonunda, sorun göze çarpmayan bir yerde keşfedildi - analog giriş sinyal hattı için bir via kullanılmıştı ve bu inner layer'a taşınmıştı.

O sırada, o via dijital saat izinin viasından 3 mm'den daha az uzaktaydı. Yeniden tasarımdan sonra, tüm analog sinyalleri üst katmana yerleştirmek sorunu hemen çözdü. Bu deneyim oldukça acı vericiydi ve bana "analog sinyal hattı vias" konusu hakkında daha derin bir anlayış kazandırdı.

Aslında, bu sorun oldukça yaygındır. Birçok mühendis PCB tasarlarken viaslara karşı kutuplaşmış tutumlara sahiptir: ya onları kullanmaktan korkarlar, tüm izleri aynı katmanda yönlendirmek isterler; ya da onları dikkatsizce kullanırlar, viasları tamamen göz ardı ederler. Her iki aşırı uç da sorunlara yol açabilir.

Viasların analog sinyaller üzerindeki etkisi nedir?

Viasları ne zaman kullanıp ne zaman kullanmamamız gerektiğini anlamak için, öncelikle viasların analog sinyallere ne yaptığını anlamalıyız. Bir via basitçe bir "tel bağlantısı" değildir; özünde parazitik indüktans ve kapasitans içeren bir yapıdır.

0.3 mm çapında bir delikten geçen via, yaklaşık 0.5~1.2nH parazitik indüktans ve 0.3~0.8pF parazitik kapasitans içerir. Bu değerler küçük görünse de, analog sinyaller üzerindeki etkileri hayal edebileceğinizden çok daha büyük olabilir.

Parazitik İndüktansın Etkisi
Parazitik indüktans, sinyal yolundaki kapasitans ile etkileşime girerek bir LC filtreleme etkisi yaratır ve yüksek frekanslı bileşenlerin zayıflamasına yol açar. Bu etki, yüksek frekanslı analog sinyaller (RF ön uçları gibi) için önemlidir. Deneyimlerime göre, 500MHz üzerindeki frekanslarda, tek bir via'nın ekleme kaybı 0.2~0.5dB'ye ulaşabilir.

Daha da sorunlu olanı, indüktansın sinyalin yükselme ve düşme kenlarını yavaşlatmasıdır. Yüksek hızlı analog sinyaller için bu, bant genişliği kaybı anlamına gelir. Örnekleme saat sinyalleri için, yavaşlamış bir kenar doğrudan titreşime neden olur ve ADC'nin SNR'sini etkiler.

Parazitik Kapasitansın Etkisi

Parazitik kapasitans daha sinsi bir etkidir. Via pedi ile referans düzlemi arasında oluşan kapasitans, sinyal hattına uygulanarak empedans düşüşüne neden olur. Yüksek empedanslı düğümler (op-amp girişi gibi) için bu kapasitans, kaynak empedansı ile bir voltaj bölücü oluşturarak sinyal zayıflamasına yol açar.

[Vaka Çalışması] Hassas bir ölçüm devresinde, op-amp giriş empedansı 1MΩ'dur ve via parazitik kapasitansı 0.5pF'dir. 100kHz'de, kapasitör empedansı yaklaşık 3.2MΩ'dur ve etkisi önemli değildir. Ancak, 10MHz'de, kapasitör empedansı 32kΩ'a düşer ve sinyal 30 kat zayıflar!

Stub Etkisi: Göz Ardı Edilen Bir Tuzak
Bir via tam olarak kullanılmazsa (örneğin, L1'den L3'e, ancak via tüm kart boyunca uzanırsa), via'nın alt yarısı bir "stub" haline gelir. Bu stub, belirli bir frekansta rezonansa giren bir anten gibi davranır.

Rezonans frekansını hesaplama formülü şöyledir: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Burada L stub uzunluğu ve Dk_eff etkin dielektrik sabittir. Stub uzunluğu çeyrek dalga boyuna ulaştığında ekleme kaybı önemli ölçüde artar. Standart 1.6mm kalınlığında dört katmanlı bir kart için stub rezonans frekansı yaklaşık 10~15GHz'dir. Ancak, kart daha kalınsa veya stub daha uzunsa, rezonans frekansı daha düşük olacaktır ve bu da daha yüksek frekanslı analog sinyalleri etkiler.

【Uyarı】Stub'ın etkisi doğrusal değildir. Sinyal kalitesi rezonans frekansına yaklaştıkça ciddi şekilde bozulur. Analog sinyal frekansınız rezonans noktasına yakın düşerse, sonuçlar ciddi olabilir.

Dönüş Yolu Kesintiye Uğradı

Bu, analog sinyal viaslarının en büyük gizli tehlikesidir. Bir sinyal katman değiştirdiğinde, dönüş akımı da katman değiştirir. Sinyal L1'den L3'e değişirse, başlangıçta L2'nin toprak düzleminde akan dönüş akımı, şimdi L3'ün karşılık gelen toprak düzlemine geri dönmek için bir yol bulmak zorundadır.

Eşleşen toprak viasları olmadan, dönüş akımı daha uzun bir yol izlemek zorunda kalır ve büyük bir akım döngüsü oluşturur. Bu döngü, hem parazit yayan hem de alan bir anten gibi davranır. Zayıf analog sinyaller için bu ölümcüldür.

Ne zaman via kullanabilirsiniz?

Bu kadar çok riski tartıştık, bu analog sinyallerin hiç via kullanamayacağı anlamına mı geliyor? Zorunlu değil. Bazı durumlarda, via kullanmak makul, hatta gereklidir.

Düşük frekanslı analog sinyaller via kullanabilir.

10MHz altındaki frekanslara sahip analog sinyaller, via'ların parazitik parametrelerine çok duyarlı değildir. Sıradan ses sinyalleri, DC sapması ve düşük hızlı algılama sinyalleri, katman değiştirmek için güvenle via kullanabilir. Sadece çok fazla kullanmamaya dikkat edin.

Şahsen, via'ların DC ve düşük frekanslı sinyaller üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir olduğunu düşünüyorum. Sinyaliniz aşırı derecede zayıf (mikrovolt aralığında) olmadıkça, çok fazla endişelenmeyin.

Güç ve toprak hatları via kullanmalıdır.

Güç ve toprak hatları için via kullanmak gereklidir ve çok sayıda kullanmalısınız. Güç Dağıtım Ağları (PDN'ler) düşük empedanslı yollar gerektirir ve via indüktansı bir darboğazdır. Eşdeğer indüktans, paralel bağlantılarla azalır.

【Öneri】Güç viasları için, 1A akım için en az 2-3 via önerilir. Yüksek akım uygulamaları (örneğin, güç modülü girişleri) için daha fazla via gereklidir; alandan kısmayın.

Eşleşen bir dönüş yolu mevcut olduğunda via'lar kullanılabilir.

Bir sinyal via'sının yanında bir toprak via'sı varsa ve toprak via'sı sinyal via'sına çok yakınsa (ideal olarak 100 mil'den az), dönüş yolu tamamlanmış demektir. Bu durumda, via'ların analog sinyaller üzerindeki etkisi büyük ölçüde azalır.

Özellikle, bir sinyal via'sı her katman değiştirdiğinde, eski ve yeni katmanların topraklarını bağlamak için yanına bir toprak via'sı yerleştirin. Diferansiyel sinyaller için, iki sinyal via'sı arasına bir toprak via'sı yerleştirmek daha iyidir.

Kör via'lar/gömülü via'lar kullanılabilir.

Kör via'lar yalnızca bir dış katmanı bir iç katmana bağlar ve gömülü via'lar yalnızca bir iç katmanı bağlar; parazitik parametreleri delikli via'lardan çok daha küçüktür. Daha da önemlisi, kör ve gömülü via'lar uzun stub'lar oluşturmaz, bu da onları yüksek frekanslı sinyaller için çok daha dostane hale getirir.

Maliyet izin veriyorsa, yüksek hassasiyetli ve yüksek frekanslı analog devreler için kör veya gömülü via'lar tercih edilmelidir. Özellikle 24-bit ve üzeri ADC'ler ve GHz seviyesi RF devreleri için kör ve gömülü via'lar neredeyse standarttır.

Ne zaman via kullanmamalısınız?

Bazı durumlarda, analog sinyal hatları için via'lardan kaçınmak veya son derece dikkatli olmak en iyisidir.

Yüksek hassasiyetli analog sinyaller dikkat gerektirir.

16-bit ve üzeri ADC/DAC'ler veya 80dB'yi aşan sinyal-gürültü oranı gereksinimi olan sistemler için, analog sinyal yolu mümkün olduğunca temiz olmalıdır. Via'lar tarafından tanıtılan parazitik parametreler, artan niceleme hatalarına ve INL/DNL'nin bozulmasına yol açabilir.

[Örnek] 112dB teorik SNR'ye sahip 24-bit bir veri toplama sistemi tasarlandı. Gerçek testler yalnızca 95dB gösterdi. Araştırma sonucunda, analog giriş hatlarında via'lar olduğu ve stub rezonans noktasının sinyal bant genişliğinin kenarına düştüğü bulundu. Yönlendirmeyi aynı katmana değiştirdikten sonra, SNR 108dB'ye yükseldi.

Yüksek frekanslı analog sinyallerle dikkatli olun.

100MHz'i (RF, yüksek hızlı saat) aşan analog sinyaller için, via'ların parazitik indüktansı bir darboğaz haline gelebilir. Sinyal kenarları bozulacak, empedans süreksizlikleri ortaya çıkacak ve yansımalara yol açacaktır.

RF sinyal katman değişimi için, özel olarak tasarlanmış via yapıları, anti-pad optimizasyonu ve toprak via çitleri ile birlikte kullanmak en iyisidir. Sıradan via'ları doğrudan yerleştirmek, zayıf VSWR ile sonuçlanacaktır.

Hassas analog alanların altına via yerleştirmeyin.

Kristal osilatörler, faz kilitlemeli döngüler, referans voltaj kaynakları ve yüksek empedanslı giriş düğümleri gibi hassas devrelerin yakınına ilgisiz via'lardan kaçının. Via'lar toprak düzleminin bütünlüğünü bozabilir ve diğer katmanlardan gelen gürültüyü "yönlendirebilir".

【Not】Özellikle dijital sinyal viasları için, analog devre alanlarından asla geçmeyin. Dijital sinyallerden gelen yüksek frekanslı gürültü, viasların parazitik kapasitansı aracılığıyla analog hatlara kuplaj yapabilir. Deneyimlerime göre, dijital viaslar hassas analog devrelerden en az 10 mm uzakta olmalıdır.

Toprak düzlemi kesintiye uğradığında dikkatli olun.

Via'lar yoğun bir şekilde paketlenmişse, toprak düzleminde büyük bir pencere (anti-pad) oluşturuyorsa, toprak düzleminin sürekliliği bozulur. Dönüş akımı, bir döngü anteni oluşturan bir sapma yapmak zorunda kalır.

Bu sorun, karışık sinyal PCB'lerinde özellikle şiddetlidir. Analog toprak düzlemi via'lar tarafından kesintiye uğrarsa, dijital gürültü kuplaj yolları aracılığıyla analog alana girebilir.

Pratik Tasarım Hususları

İlkeleri ve sınır koşullarını anladıktan sonra, gerçek tasarımda nasıl ilerlemeliyiz? İşte birkaç kişisel ipucu:

Yönlendirme stratejinizi katman değişikliklerini en aza indirecek şekilde planlayın.

En iyi via'lar delinmeyenlerdir. Yerleştirme aşamasında, yönlendirme yolunu net bir şekilde tanımlayın ve kritik analog sinyallerin aynı katmanda tamamlanmasını sağlamaya çalışın. Bir katman değişikliği kesinlikle gerekiyorsa, öncelikle çip pinlerinin yakınında değiştirmeyi önceliklendirin ve iz boyunca aniden via delmekten kaçının.

Via Parametrelerini Optimize Edin

Via'lar gerekiyorsa, onları aşırı derecede optimize edin:

• En küçük via çapı:0.2 mm veya daha küçük, daha düşük parazitik parametrelere yol açar.
• Anti-pad'leri uygun şekilde büyütün:Standart 10 mil'dir, yüksek hızlı sinyaller 20~30 mil'e büyütülebilir.
• Pad'ler çok büyük olmamalıdır:Aşırı büyük pad'ler parazitik kapasitansı artırır ve yer kaplar.

Eşleşen Dönüş Via'ları

Her sinyal via'sı için dönüş yolunu düşünün. Sinyal L1'den L3'e değişirse ve toprak düzlemi L2'de ise, L2 ve L3'ün topraklarını bağlamak için sinyal via'sının yanına bir toprak via'sı yerleştirilmelidir.

Toprak via'sı sinyal via'sına mümkün olduğunca yakın olmalıdır; 100 mil içinde güvenli bir aralıktır. 50 mil içinde daha da iyidir.

Analog-Dijital Ayrımı ve İzolasyonu

Karışık sinyal PCB'leri için, analog ve dijital alanlar fiziksel olarak izole edilmelidir. Via'lar da ayrılmalı, analog alanlarda analog via'lar ve dijital alanlarda dijital via'lar olmalıdır. Dijital via'ların analog alanı "geçmesine" izin vermeyin.

ADC/DAC gibi karışık sinyal cihazları varsa, analog sinyallerin dijital alan boyunca uzun mesafeler kat etmesini önlemek için via'ları cihazların yakınına yerleştirin.

Simülasyon Doğrulaması:

Yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli tasarımlar için yalnızca deneyime güvenmeyin. Empedans, yansıma ve via'ların ekleme kaybını kontrol etmek için SI simülasyon araçlarını kullanın. Özellikle stub rezonans noktası; simülasyon onu hemen ortaya çıkaracaktır.

Yaygın Yanlış Anlamalar Açıklandı:

• "Daha az via daha iyidir"

—Tam olarak doğru değil. Sinyal viasları gerçekten daha az olmalı, ancak güç ve toprak viasları daha fazla olmalıdır. Anahtar, onlara farklı davranmaktır.

• "Analog toprak dijital topraktan ayrılmalıdır"

—Kesinlikle değil. Basit sistemler genellikle birleşik bir toprak düzleminden fayda görür. Karmaşık sistemler ayrılık gerektirir ve o zaman bile tek noktalı bağlantılar gereklidir.

• "Kör via'lar çok pahalı ve gereksizdir"

—Uygulamaya bağlıdır. 24-bit ADC'ler ve GHz RF için, kör via'lar değerli bir yatırımdır. Sıradan uygulamalar için, gerçekten gereksizdirler.

Özet:

Analog sinyal hatları via kullanabilir mi? Cevap: Duruma bağlıdır. Düşük frekanslar hassas değildir, bu yüzden via'lar kullanılabilir; yüksek hassasiyet dikkat gerektirir, bu yüzden mümkünse via'lardan kaçının; yüksek frekanslar özel işlem gerektirir ve kullanılırsa, parametreler optimize edilmelidir. Temel ilkeler şunlardır:

• Mümkünse via'lardan kaçının;

Katman değişikliklerini azaltmak için yönlendirme stratejinizi iyi planlayın.

• Eğer via kullanmak zorundaysanız, onları iyi kullanın;

Via çapını, anti-pad'leri optimize edin ve eşleşen dönüş via'ları kullanın.

• Hassas sinyalleri dolaylı yoldan yönlendirin;

Stub'lardan kaçınmak için yüksek hassasiyetli, yüksek frekanslı analog sinyalleri üst katmana yönlendirin.

• Analog ve dijital sinyalleri ayırın;

Gürültü kuplajını önlemek için via'larla bölgeleri geçmeyin.

• Simüle edin ve doğrulayın;

Yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli tasarımlar için yalnızca deneyime güvenmeyin.

Via'lar küçük olsa da, öğrenilecek çok şey var. İlkeleri anlayın, sınırları kavrayın ve analog sinyal via'ları tasarımlarınızda tuzak haline gelmeyecektir. Umarım bu deneyim faydalı olur.