¿Por qué las vias son malas para los PCB de alta frecuencia (placas de circuito impreso)?

Answer 1

En una buena línea de transmisión controlada de impedancia equilibrada (que es cómo desea enrutar sus señales), la corriente de retorno fluye en el plano de tierra directamente debajo de la línea, si es posible. Cuando pasa a través de una vía, el retorno tiene que encontrar su propio camino para hacer la transición a través de las capas, lo que implicará que atraviese la vía terrestre más cercana. Cualquier distancia adicional que deba recorrer el retorno crea un bucle inductivo que impide las señales de mayor frecuencia. También corre el riesgo de detectar señales no deseadas a lo largo de este camino.

Además, la vía en sí crea una discontinuidad de impedancia en la línea de transmisión que da como resultado reflexiones no deseadas.

Además, una vía puede crear un trozo corto si se extiende más allá de la capa a la que se hizo la transición y los reflejos del trozo podrían crear ondas estacionarias no deseadas. Sin embargo, esto probablemente solo sea realmente un problema importante a frecuencias de onda muy altas en mm.

Answer 2

Para señales de alta frecuencia, el tiempo de subida / bajada es muy menor, y el timbre / reflexión ocurre cuando las longitudes de las pistas comienzan a ser más largas que el límite aproximado permitido. Este timbre / reflexión se hace más evidente cuando hay múltiples fuentes de discontinuidades de impedancia. Las vías, los pines del conector, los pines IC, las curvas de la pista, los saltos entre capas, el salto de la placa al cable / conector, los trozos en las pistas son algunas de las razones de las discontinuidades de impedancia.

Vias como una discontinuidad:

Para señales de baja frecuencia, la distorsión de la señal debido a las vías es insignificante y no conduce a un muestreo incorrecto. Esto se debe al tiempo suficiente disponible para el muestreo después de que los timbres / reflexiones se hayan calmado.

Mientras que para las señales de alta frecuencia, la duración del tiempo disponible para el muestreo es menor e incluso el menor timbre / reflexión que dura una corta duración puede conducir a la lectura de valores incorrectos, disparos incorrectos.

Talones:

Los trozos son pequeñas ramas de la pista principal, que a veces son inevitables, y se muestran en la siguiente figura:

Longitud máxima permitida del trozo:

La longitud máxima permitida del trozo viene dada por la siguiente relación (más efectiva a frecuencias más bajas):

Stub delay (max) = (1/3) * (tiempo de subida o bajada)

Para una señal de 100 MHz (período de tiempo = 10ns), y que tiene un tiempo de subida / caída de 0.5ns, este tiempo de subida / caída corresponde a 3 pulgadas. Por lo tanto, se permite un trozo máximo de 1 pulgada.

A medida que las frecuencias de señal llegan al rango de GHz, es aconsejable limitar los stubs a (1/6) del tiempo de subida / bajada.

Stub delay (max) = (1/6) * (tiempo de subida o bajada) => (para frecuencias de GHz)

Para una señal de 1 GHz (período de tiempo = 1ns), y con un tiempo de subida / caída de 50ps, este tiempo de subida / caída corresponde a 0.3 pulgadas. Por lo tanto, se prefiere un trozo de menos de (1/6) * (0.3) pulgada, es decir, 50 milésimas de pulgada.

Para 5 GHz, esto se convierte en 0.01 pulgada, es decir, 10 mils.

Vias como trozos:

Como se puede ver en las imágenes a continuación, cuando los saltos de señal no se encuentran entre las capas superiores e inferiores, es inevitable un trozo muy corto, que se convierte en un problema para las señales de GHz.

Si en una tabla de 14 capas y 2 mm de grosor, una pista salta entre la capa 1 y la capa 2 (o entre la capa 13 y la capa 14), un orificio pasante puede dar un trozo de aprox. (12/13) * 2 mm = 0.072 pulgadas.

Esto corresponde a un retraso de tiempo de 0.072 pulgadas * (160ps por pulgada) = 11ps

Usando en la segunda ecuación anterior, encontramos que una pista con esto a través del trozo (longitud = 0.072 pulgadas) puede soportar razonablemente solo un tiempo de subida / bajada de 11ps * 6 = 66 ps, que se encuentran fácilmente en señales de 1GHz.

Nota:

Las relaciones 1/3, 1/6, etc. son empíricas y no habría ninguna desviación brusca en el comportamiento al pasar por estos márgenes.

Vias ciegas y enterradas:

Tener vías ciegas y enterradas ayuda a evitar los trozos en las vías pasantes, y se ilustran a continuación:

Answer 3

Las vías funcionan igual que los desagües del fregadero emergente: el agua se ve obligada a fluir desde una superficie plana para deslizarse a través de un camino cilíndrico alrededor del tapón. El agua simplemente no puede “teletransportarse” directamente a la alcantarilla porque el drenaje resiste el flujo de agua.

Las vías obligan a la corriente a fluir desde una pista plana de cobre hacia una trayectoria en forma de anillo. El tapón del fregadero aquí es el aire no conductor en el centro, por lo que la corriente se ve obligada a correr a través del anillo metalizado alrededor del orificio. La vía también resiste el flujo de corriente, actuando como una inductancia parásita que afecta el rendimiento de RF.

Answer 4

El material de alta frecuencia obtiene reflejos de la señal a menos que obtenga una coincidencia de impedancia, que se controla mediante el ancho de la traza, la distancia a otras trazas, y así sucesivamente. Una vía es un cambio en la impedancia porque el ancho / distancia y todos los demás números cambian repentinamente. Entonces obtienes una reflexión parcial, o tal vez algo de ruido RFI, o cosas funky como esa.

Answer 5

Todas estas respuestas actuales son correctas en todos los sentidos. Lo único que queda fuera es que el control del proceso en la producción de la PCB básica no es adecuado para el control de calidad del proceso de revestimiento de las propias vías. En otras palabras, sin controles estrictos en la producción, las vías pueden no ser exactamente predecibles y requerirán un tiempo de diseño adicional y pruebas para operar de manera confiable los PCB en el ensamblaje final.

Answer 6

Crean una discontinuidad de impedancia que causa reflexión.

Piense en un cable como un cable de fibra óptica, con electrones reemplazando la luz.

En un cable de fibra óptica, si todo es agradable y suave, la luz solo entra por un extremo y sale por el otro.

Si tiene una grieta en el cable, o una sección del cable con diferente densidad, verá algo de luz reflejada.

Es lo mismo en los conductores: simplemente no lo ves.