Introdução: Uma experiência frustrante de depuração

No ano passado, num projeto, um ADC de 16 bits estava a recolher dados de sensores.A onda da fonte de alimentação estava bem., a fonte de tensão de referência foi estável e foram adicionados capacitores de desacoplamento suficientes em torno do ADC.O problema foi descoberto num local discreto através da linha de sinal de entrada analógica., e foi movido para uma camada interna.

Na época, essa via estava a menos de 3 mm de distância da via do relógio digital, depois de redesenhar, colocar todos os sinais analógicos na camada superior resolveu imediatamente o problema.Esta experiência foi bastante dolorosa e me deu uma compreensão mais profunda do tema de "via de linha de sinal analógico. "

De facto, este problema é bastante comum. Muitos engenheiros têm atitudes polarizadas em relação às vias quando projetam PCBs: ou têm medo de as usar, querendo encaminhar todos os traços na mesma camada;ou usam-nas descuidadamente.Ambos os extremos podem levar a problemas.

Que impacto têm as vias nos sinais analógicos?

Para entender quando usar vias e quando não, primeiro devemos entender o que as vias fazem com os sinais analógicos.É essencialmente uma estrutura com indutividade parasitária e capacitância.

Um orifício de 0,3 mm de diâmetro tem uma indutividade parasitaria de aproximadamente 0,5 a 1,2 nH e uma capacitância parasitaria de 0,3 a 0,8 pF. Estes valores parecem pequenos,Mas o seu impacto nos sinais analógicos pode ser muito maior do que você imagina.

O Impacto da Indutância Parasitária
A indutividade parasitária interage com a capacitância no caminho do sinal para criar um efeito de filtragem LC, levando à atenuação de componentes de alta frequência.Este efeito é significativo para sinais analógicos de alta frequência (como frentes de RF)Na minha experiência, em frequências superiores a 500 MHz, a perda de inserção de uma única via pode atingir 0,2 a 0,5 dB.

Para sinais analógicos de alta velocidade, isso se traduz em perda de largura de banda.Uma borda mais lenta introduz diretamente jitter, afectando o SNR do ADC.

O impacto da capacidade parasítica

A capacitância parasitária é mais insidiosa. A capacitância se forma entre o pad via e o plano de referência, que é aplicado à linha de sinal, causando queda de impedância.Para nós de alta impedância (como a entrada de op-amp), esta capacitância forma um divisor de tensão com a impedância da fonte, levando à atenuação do sinal.

[Estudo de caso] Em um circuito de medição de precisão, a impedância de entrada do op-amp é de 1MΩ, e a capacitância via parasitária é de 0,5pF. Em 100kHz, a impedância do capacitor é de aproximadamente 3,2MΩ,e o efeito não é significativoNo entanto, a 10 MHz, a impedância do condensador cai para 32kΩ, e o sinal é atenuado 30 vezes!

Efeito Stub: Uma armadilha negligenciada
Se uma via não for totalmente utilizada (por exemplo, de L1 para L3, mas a via atravessa toda a placa), a metade inferior da via se torna um "stub".Resonando a uma frequência específica.

A fórmula para o cálculo da frequência de ressonância é: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

onde L é o comprimento do estribo e Dk_eff é a constante dielétrica efetiva.Placas de quatro camadas de 6 mm de espessuraNo entanto, se a placa for mais grossa ou o estúdio for mais longo, a frequência de ressonância será menor, afetando os sinais analógicos de frequência mais alta.

A qualidade do sinal deteriora-se drasticamente perto da frequência de ressonância.As consequências podem ser graves..

O caminho de retorno foi interrompido.

Quando um sinal muda de camadas, a corrente de retorno também muda de camadas.que originalmente fluía no plano de terra de L2, agora precisa encontrar um caminho de volta para o correspondente plano de terra de L3.

Sem vias de aterramento correspondentes, a corrente de retorno tem que tomar uma rota mais longa, formando um grande loop de corrente.Para sinais analógicos fracosIsto é fatal.

Quando podes usar vias?

Depois de ter discutido tantos riscos, isso significa que os sinais analógicos não podem usar vias?

Os sinais analógicos de baixa frequência podem usar vias.

Os sinais analógicos com frequências inferiores a 10 MHz não são muito sensíveis aos parâmetros parasitários das vias.e sinais de detecção de baixa velocidade podem usar de forma segura vias para a troca de camadasTem cuidado para não usares muitos.

Pessoalmente, acho que o impacto das vias nos sinais de CC e de baixa frequência é insignificante.

As linhas de energia e de terra devem usar vias.

As redes de distribuição de energia (PDN) exigem caminhos de baixa impedância e a indutividade é um gargalo.A indutividade equivalente diminui com conexões paralelas.

Para vias de potência, pelo menos 2-3 vias são recomendadas para 1A de corrente.

As visitas podem ser utilizadas quando existe um caminho de retorno correspondente.

Se uma via terrestre estiver localizada ao lado de um sinal via, e a via terrestre estiver muito próxima do sinal via (idealmente menos de 100 mil), o caminho de retorno está completo.O impacto das vias nos sinais analógicos é muito reduzido.

Especificamente, cada vez que um sinal através de mudanças camada, colocar uma terra através ao lado dele para conectar os planos de terra das camadas velhas e novas.É melhor colocar uma via de terra entre duas vias de sinal.

Podem ser utilizadas vias cegas ou enterradas.

As vias cegas conectam apenas uma camada externa a uma camada interna, e as vias enterradas conectam apenas uma camada interna; seus parâmetros parasitários são muito menores do que os das vias através de buracos.As vias cegas e enterradas não criam longos toques., tornando-os muito mais amigáveis aos sinais de alta frequência.

Se o custo permitir, devem ser preferidas vias cegas ou enterradas para circuitos analógicos de alta precisão e alta frequência.As vias cegas e enterradas são quase padrão..

Quando não deve usar vias?

Em alguns casos, é melhor evitar vias para linhas de sinal analógico, ou ser extremamente cauteloso.

Os sinais analógicos de alta precisão exigem cautela.

Para os ADC/DAC de 16 bits e superiores, ou sistemas com um requisito de relação sinal-ruído superior a 80 dB, o caminho do sinal analógico deve ser o mais limpo possível.Os parâmetros parasitários introduzidos pelas vias podem levar a um aumento dos erros de quantização e à deterioração do INL/DNL.

[Exemplo] Foi concebido um sistema de aquisição de dados de 24 bits com uma SNR teórica de 112 dB. Os testes reais mostraram apenas 95 dB. Após investigação, verificou-se que as linhas de entrada analógicas tinham vias,e o ponto de ressonância estribo caiu bem na borda da largura de banda do sinalApós alterar o roteamento para a mesma camada, a SNR melhorou para 108 dB.

Tenha cuidado com os sinais analógicos de alta frequência.

Para sinais analógicos superiores a 100 MHz (RF, relógio de alta velocidade), a indutividade parasitária das vias pode tornar-se um gargalo.levando a reflexões.

Para a comutação de camadas de sinal de RF, é melhor usar estruturas via especialmente projetadas, combinadas com otimização anti-pad e terra via cerca.Simplesmente colocar vias comuns diretamente resultará em VSWR pobre.

Não coloque vias abaixo de áreas analógicas sensíveis.

Evite colocar vias não relacionadas perto de circuitos sensíveis, como osciladores de cristal, circuitos com bloqueio de fase, fontes de tensão de referência e nós de entrada de alta impedância.Vias podem perturbar a integridade do plano do solo e ruído "guia" de outras camadas.

Os sinais de alta frequência de sinais digitais podem acoplar-se a linhas analógicas através da capacitância parasitária dos vias.Na minha experiência, as vias digitais devem estar a pelo menos 10 mm de distância dos circuitos analógicos sensíveis.

Tenha cuidado quando o plano de terra for interrompido.

Se as vias estiverem densamente embaladas, criando uma grande janela (anti-pad) no plano de terra, a continuidade do plano de terra é interrompida.

Este problema é particularmente grave em PCBs de sinal misto. Se o plano de solo analógico for interrompido por vias, o ruído digital pode invadir a área analógica através de caminhos de acoplamento.

Considerações práticas de projeto

Compreendendo os princípios e as condições de limite, como devemos proceder no projeto real?

Planeje sua estratégia de roteamento para minimizar mudanças de camada.

Durante a fase de colocação, defina claramente o caminho de roteamento e tente garantir que os sinais analógicos críticos sejam concluídos na mesma camada.Se uma mudança de camada for absolutamente necessária, priorizar a sua mudança perto dos pinos de chip, e evitar abruptamente perfurar vias no meio do traço.

Optimize através de parâmetros

Se as vias forem necessárias, otimizá-las ao extremo:

• O menor em termos de diâmetro:0.2 mm ou menos, resultando em parâmetros parasitários mais baixos.
• Aumentar adequadamente os anti-pads:O padrão é de 10 milímetros, os sinais de alta velocidade podem ser ampliados para 20 a 30 milímetros.
• As embalagens não devem ser demasiado grandes:As almofadas excessivamente grandes aumentam a capacidade parasitária e ocupam espaço.

Correspondência de vias de retorno

Se o sinal mudar de L1 para L3, e o plano do solo estiver em L2,em seguida, uma via de terra deve ser colocado ao lado do sinal através para conectar os motivos de L2 e L3.

A via terrestre deve estar o mais próxima possível do sinal de via; dentro de 100 mil é uma faixa segura.

Separação e isolamento analógico-digital

No caso dos PCB de sinal misto, as zonas analógicas e digitais devem ser fisicamente isoladas e as vias devem ser também separadas, com vias analógicas na zona analógica e vias digitais na zona digital.Não deixe vias digitais "cruzar" a área analógica.

Se estiverem presentes dispositivos de sinal misto, como ADCs/DACs, coloque vias perto dos dispositivos para evitar que os sinais analógicos viajem longas distâncias através da área digital.

Verificação da simulação:

Para projetos de alta velocidade e alta precisão, não confie apenas na experiência. Use ferramentas de simulação SI para verificar a impedância, a reflexão e a perda de inserção de vias.A simulação irá revelar imediatamente.

Clarificados conceitos errôneos comuns:

• "Menos vias são melhores"

Não é inteiramente verdade. As vias de sinal deverão ser menos, mas as vias de energia e de terra devem ser mais numerosas.

• "A terra analógica deve ser separada da terra digital"

Os sistemas simples geralmente se beneficiam de um plano de terra unificado. Os sistemas complexos exigem separação e, mesmo assim, conexões de um único ponto são necessárias.

• "As vias cegas são muito caras e desnecessárias"

Para os ADCs de 24 bits e para as frequências de frequência de GHz, as vias cegas são um investimento que vale a pena.

Resumo:

As linhas de sinal analógico podem usar vias? A resposta é: Depende. As baixas frequências não são sensíveis, portanto, as vias podem ser usadas; alta precisão requer cautela, portanto, evite as vias se possível;Frequências elevadas exigem manuseio especialOs princípios fundamentais são os seguintes:

• Evitar vias, se possível;

Planeje bem sua estratégia de roteamento para reduzir as mudanças de camada.

• Se tiver de usar vias, use-as bem;

Optimize através de diâmetro, anti-pads, e use vias de retorno correspondentes.

• Desviar sinais sensíveis;

Rotear sinais analógicos de alta precisão e alta frequência para a camada superior para evitar estufas.

• Dividir sinais analógicos e digitais;

Não cruze zonas com vias para evitar acoplamento de ruído.

• Simulação e verificação;

Não confiem apenas na experiência para projetos de alta velocidade e alta precisão.

Embora as vias sejam pequenas, há muito a aprender. e as vias de sinal analógico não se tornarão armadilhas nos seus projetos. espero que esta experiência seja útil.