Introductie: Een frustrerende debug-ervaring

Vorig jaar, in een project, verwierf een 16-bits ADC sensorgegevens. De gemeten ruis was extreem hoog, met een SNR bijna 15dB lager dan de theoretische waarde. Na alles te hebben gecontroleerd, was de rimpel van de voeding in orde, de referentie-spanningsbron stabiel en waren er voldoende ontkoppelcondensatoren rond de ADC toegevoegd. Uiteindelijk werd het probleem ontdekt op een onopvallende plaats—een via werd gebruikt voor de analoge ingangssignaal lijn, en deze werd naar een binnenlaag verplaatst.

Op dat moment bevond die via zich op minder dan 3 mm afstand van de via van de digitale klokspoor. Na een herontwerp, waarbij alle analoge signalen onmiddellijk op de toplaag werden geplaatst, werd het probleem opgelost. Deze ervaring was behoorlijk pijnlijk en gaf me een dieper inzicht in het onderwerp "via's voor analoge signaallijnen".

Dit probleem komt eigenlijk vrij vaak voor. Veel ingenieurs hebben gepolariseerde houdingen ten opzichte van via's bij het ontwerpen van printplaten: ofwel ze zijn bang om ze te gebruiken en willen alle sporen op dezelfde laag routeren; ofwel ze gebruiken ze achteloos, zonder rekening te houden met via's. Beide extremen kunnen tot problemen leiden.

Welke impact hebben via's op analoge signalen?

Om te begrijpen wanneer via's te gebruiken en wanneer niet, moeten we eerst begrijpen wat via's doen met analoge signalen. Een via is niet zomaar een "draadverbinding"; het is in wezen een structuur met parasitaire inductantie en capaciteit.

Een doorlopend gat met een diameter van 0,3 mm heeft een parasitaire inductantie van ongeveer 0,5~1,2 nH en een parasitaire capaciteit van 0,3~0,8 pF. Deze waarden lijken klein, maar hun impact op analoge signalen kan veel groter zijn dan u zich misschien voorstelt.

De impact van parasitaire inductantie
Parasitaire inductantie werkt samen met capaciteit in het signaalpad om een LC-filtereffect te creëren, wat leidt tot demping van hoogfrequente componenten. Dit effect is significant voor hoogfrequente analoge signalen (zoals RF front-ends). Uit mijn ervaring kan bij frequenties boven 500 MHz het invoegverlies van een enkele via 0,2~0,5 dB bereiken.

Problematischer is dat inductantie de stijgende en dalende randen van het signaal vertraagt. Voor snelle analoge signalen vertaalt dit zich in bandbreedteverlies. Voor bemonsteringskloksignalen introduceert een vertraagde rand direct jitter, wat de SNR van de ADC beïnvloedt.

De impact van parasitaire capaciteit

Parasitaire capaciteit is verraderlijker. Capaciteit ontstaat tussen de via-pad en het referentievlak, dat op de signaallijn wordt toegepast, waardoor de impedantie daalt. Voor knooppunten met hoge impedantie (zoals de ingang van een op-amp) vormt deze capaciteit een spanningsdeler met de bronimpedantie, wat leidt tot signaalverzwakking.

[Casestudy] In een precisie meetcircuit is de ingangsimpedantie van de op-amp 1MΩ en de parasitaire capaciteit van de via is 0,5 pF. Bij 100 kHz is de impedantie van de condensator ongeveer 3,2 MΩ en is het effect niet significant. Echter, bij 10 MHz daalt de impedantie van de condensator tot 32 kΩ en wordt het signaal 30 keer verzwakt!

Stub-effect: een verwaarloosd struikelblok
Als een via niet volledig wordt benut (bijvoorbeeld van L1 naar L3, maar de via loopt door de hele printplaat), wordt de onderste helft van de via een "stub". Deze stub gedraagt zich als een antenne en resoneert op een specifieke frequentie.

De formule voor het berekenen van de resonantiefrequentie is: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Waarbij L de stublengte is en Dk_eff de effectieve diëlektrische constante. Het invoegverlies neemt dramatisch toe wanneer de stublengte een kwart golflengte bereikt. Voor een standaard 1,6 mm dikke vierlaagse printplaat is de resonantiefrequentie van de stub ongeveer 10~15 GHz. Als de printplaat echter dikker is of de stub langer is, zal de resonantiefrequentie lager zijn, wat hoogfrequente analoge signalen beïnvloedt.

【Waarschuwing】Het effect van de stub is niet lineair. De signaalkwaliteit verslechtert drastisch nabij de resonantiefrequentie. Als de frequentie van uw analoge signaal toevallig dicht bij het resonantiepunt valt, kunnen de gevolgen ernstig zijn.

Retourpad verstoord

Dit is het grootste verborgen gevaar van via's voor analoge signalen. Wanneer een signaal van laag verandert, verandert ook de retourstroom van laag. Als het signaal van L1 naar L3 gaat, moet de retourstroom, die oorspronkelijk op het aardvlak van L2 liep, nu een pad terugvinden naar het corresponderende aardvlak van L3.

Zonder bijpassende aardingsvia's moet de retourstroom een langere route nemen, waardoor een grote stroomlus ontstaat. Deze lus gedraagt zich als een antenne, die zowel interferentie uitzendt als ontvangt. Voor zwakke analoge signalen is dit fataal.

Wanneer kunt u via's gebruiken?

Nu we zoveel risico's hebben besproken, betekent dit dan dat analoge signalen helemaal geen via's kunnen gebruiken? Niet noodzakelijk. In sommige gevallen is het gebruik van via's redelijk, zelfs noodzakelijk.

Laagfrequente analoge signalen kunnen via's gebruiken.

Analoge signalen met frequenties onder de 10 MHz zijn niet erg gevoelig voor de parasitaire parameters van via's. Gewone audiosignalen, DC-bias en langzame sensingsignalen kunnen veilig via's gebruiken voor laagwisseling. Wees gewoon voorzichtig met het gebruik van te veel.

Persoonlijk denk ik dat de impact van via's op DC- en laagfrequente signalen verwaarloosbaar is. Tenzij uw signaal extreem zwak is (in het microvolt-bereik), hoeft u zich niet al te veel zorgen te maken.

Voedings- en aardingslijnen moeten via's gebruiken.

Het gebruik van via's voor voedings- en aardingslijnen is noodzakelijk en u moet er veel gebruiken. Voedingsdistributienetwerken (PDN's) vereisen paden met lage impedantie en via-inductantie is een knelpunt. De equivalente inductantie neemt af met parallelle verbindingen.

【Aanbeveling】Voor voedingsvia's worden minimaal 2-3 via's aanbevolen voor 1A stroom. Meer via's zijn nodig voor toepassingen met hoge stroom (bijv. ingangen van voedingsmodules); bezuinig niet op ruimte.

Via's kunnen worden gebruikt wanneer er een bijpassend retourpad aanwezig is.

Als een aardingsvia zich naast een signaalvia bevindt en de aardingsvia zich zeer dicht bij de signaalvia bevindt (idealiter minder dan 100 mil), is het retourpad compleet. In dit geval wordt de impact van via's op analoge signalen sterk verminderd.

Specifiek, elke keer dat een signaalvia van laag verandert, plaats er een aardingsvia naast om de aardvlakken van de oude en nieuwe lagen te verbinden. Voor differentiële signalen is het beter om een aardingsvia tussen twee signaalvia's te plaatsen.

Blinde via's/begraven via's kunnen worden gebruikt.

Blinde via's verbinden slechts een buitenlaag met een binnenlaag, en begraven via's verbinden slechts een binnenlaag; hun parasitaire parameters zijn veel kleiner dan die van doorlopende via's. Belangrijker nog, blinde en begraven via's creëren geen lange stubs, waardoor ze veel vriendelijker zijn voor hoogfrequente signalen.

Als de kosten het toelaten, moeten blinde of begraven via's de voorkeur hebben voor hoog-precisie en hoogfrequente analoge circuits. Vooral voor 24-bits en hogere ADC's en GHz-niveau RF-circuits zijn blinde en begraven via's bijna standaard.

Wanneer moet u geen via's gebruiken?

In sommige gevallen is het het beste om via's voor analoge signaallijnen te vermijden, of uiterst voorzichtig te zijn.

Hoog-precisie analoge signalen vereisen voorzichtigheid.

Voor 16-bits en hogere ADC's/DAC's, of systemen met een signaal-ruisverhouding vereiste van meer dan 80 dB, moet het analoge signaalpad zo schoon mogelijk zijn. Parasitaire parameters geïntroduceerd door via's kunnen leiden tot verhoogde kwantiseringsfouten en verslechtering van INL/DNL.

[Voorbeeld] Een 24-bits data-acquisitiesysteem werd ontworpen met een theoretische SNR van 112 dB. Werkelijke tests toonden slechts 95 dB. Na onderzoek bleek dat de analoge ingangslijnen via's hadden en het stub-resonantiepunt precies aan de rand van de signaalbandbreedte viel. Na het wijzigen van de routering naar dezelfde laag, verbeterde de SNR tot 108 dB.

Wees voorzichtig met hoogfrequente analoge signalen.

Voor analoge signalen boven 100 MHz (RF, snelle klok) kan de parasitaire inductantie van via's een knelpunt worden. Signaalranden zullen verslechteren, impedantie-discontinuïteiten zullen verschijnen, wat leidt tot reflecties.

Voor RF-signaal laagwisseling is het het beste om speciaal ontworpen via-structuren te gebruiken, gecombineerd met anti-pad optimalisatie en aardingsvia-omheining. Het simpelweg direct plaatsen van gewone via's zal resulteren in een slechte VSWR.

Plaats geen via's onder gevoelige analoge gebieden.

Vermijd het plaatsen van ongerelateerde via's nabij gevoelige circuits zoals kristaloscillatoren, phase-locked loops, referentie-spanningsbronnen en ingangsknooppunten met hoge impedantie. Via's kunnen de integriteit van het aardvlak verstoren en ruis van andere lagen "geleiden".

【Opmerking】Vooral voor digitale signaalvia's, nooit door analoge circuitgebieden gaan. Hoogfrequente ruis van digitale signalen kan via de parasitaire capaciteit van de via's naar analoge lijnen worden gekoppeld. Uit mijn ervaring moeten digitale via's minstens 10 mm verwijderd zijn van gevoelige analoge circuits.

Wees voorzichtig wanneer het aardvlak wordt onderbroken.

Als via's dicht op elkaar zijn geplaatst, waardoor een groot venster (anti-pad) op het aardvlak ontstaat, wordt de continuïteit van het aardvlak verstoord. Retourstroom wordt gedwongen om een omweg te maken, waardoor een lusantenne ontstaat.

Dit probleem is bijzonder ernstig op gemengde signaalprintplaten. Als het analoge aardvlak wordt onderbroken door via's, kan digitale ruis via koppelingspaden het analoge gebied binnendringen.

Praktische ontwerpoverwegingen

Nu we de principes en grensvoorwaarden hebben begrepen, hoe moeten we verder gaan in het daadwerkelijke ontwerp? Hier zijn enkele persoonlijke tips:

Plan uw routeringsstrategie om laagwisselingen te minimaliseren.

De beste via's zijn diegene die niet worden geboord. Tijdens de plaatsingsfase definieert u duidelijk het routeringspad en probeert u ervoor te zorgen dat kritieke analoge signalen op dezelfde laag worden voltooid. Als een laagwisseling absoluut noodzakelijk is, geef dan de voorkeur aan het wijzigen nabij de chip-pinnen en vermijd het plotseling boren van via's halverwege het spoor.

Optimaliseer via-parameters

Als via's noodzakelijk zijn, optimaliseer ze dan tot het uiterste:

• Kleinste via-diameter:0,2 mm of kleiner, wat resulteert in lagere parasitaire parameters.
• Vergroot anti-pads op passende wijze:Standaard is 10 mil, snelle signalen kunnen worden vergroot tot 20~30 mil.
• Pads mogen niet te groot zijn:Overmatig grote pads verhogen de parasitaire capaciteit en nemen ruimte in beslag.

Bijpassende retourvia's

Overweeg voor elke signaalvia het retourpad. Als het signaal van L1 naar L3 gaat en het aardvlak op L2 is, dan moet er een aardingsvia naast de signaalvia worden geplaatst om de aardvlakken van L2 en L3 te verbinden.

De aardingsvia moet zo dicht mogelijk bij de signaalvia zijn; binnen 100 mil is een veilige afstand. Binnen 50 mil is nog beter.

Analoge-digitale scheiding en isolatie

Voor gemengde signaalprintplaten moeten analoge en digitale gebieden fysiek worden gescheiden. Via's moeten ook worden gescheiden, met analoge via's in het analoge gebied en digitale via's in het digitale gebied. Laat digitale via's niet door het analoge gebied "lopen".

Als gemengde signaalapparaten zoals ADC's/DAC's aanwezig zijn, plaats dan via's nabij de apparaten om te voorkomen dat analoge signalen lange afstanden door het digitale gebied reizen.

Simulatieverificatie:

Voor snelle, hoog-precisie ontwerpen, vertrouw niet alleen op ervaring. Gebruik SI-simulatietools om de impedantie, reflectie en het invoegverlies van via's te controleren. Vooral het stub-resonantiepunt; simulatie zal dit onmiddellijk onthullen.

Veelvoorkomende misvattingen opgehelderd:

• "Minder via's zijn beter"

—Niet helemaal waar. Signaalvia's moeten inderdaad minder zijn, maar voedings- en aardingsvia's moeten talrijker zijn. De sleutel is om ze anders te behandelen.

• "Analoog aardvlak moet gescheiden zijn van digitaal aardvlak"

—Niet absoluut. Eenvoudige systemen profiteren vaak van een uniform aardvlak. Complexe systemen vereisen scheiding, en zelfs dan zijn verbindingen met één punt noodzakelijk.

• "Blinde via's zijn te duur en onnodig"

—Het hangt af van de toepassing. Voor 24-bits ADC's en GHz RF zijn blinde via's een waardevolle investering. Voor gewone toepassingen zijn ze inderdaad onnodig.

Samenvatting:

Kunnen analoge signaallijnen via's gebruiken? Het antwoord is: Het hangt ervan af. Lage frequenties zijn niet gevoelig, dus via's kunnen worden gebruikt; hoge precisie vereist voorzichtigheid, dus vermijd via's indien mogelijk; hoge frequenties vereisen speciale behandeling, en indien gebruikt, moeten parameters worden geoptimaliseerd. De kernprincipes zijn:

• Vermijd via's indien mogelijk;

Plan uw routeringsstrategie goed om laagwisselingen te verminderen.

• Als u via's moet gebruiken, gebruik ze dan goed;

Optimaliseer via-diameter, anti-pads en gebruik bijpassende retourvia's.

• Omzeil gevoelige signalen;

Routeer hoog-precisie, hoogfrequente analoge signalen naar de toplaag om stubs te vermijden.

• Scheid analoge en digitale signalen;

Kruis geen zones met via's om ruiskoppeling te voorkomen.

• Simuleer en verifieer;

Vertrouw niet alleen op ervaring voor snelle, hoog-precisie ontwerpen.

Hoewel via's klein zijn, is er veel te leren. Begrijp de principes, beheers de grenzen, en analoge signaalvia's zullen geen struikelblokken worden in uw ontwerpen. Ik hoop dat deze ervaring nuttig is.