phone
Москва +7 (495) 374-54-30
Санкт-Петербург +7 (812) 317-71-37
EN
Пн-Пт:9:00-19:00
Сб-Вс:выходные
EN

Дифференциальные пары: 4 вещи, которые нужно знать о переходных отверстиях

Сквозные переходные отверстия (via) ухудшают целостность сигнала (signal integrity), на высокоскоростных печатных платах. Однако отказаться от их использования невозможно. В типовой печатной плате компоненты размещаются на верхней стороне платы (Top), а дифференциальные пары разводятся во внутренних слоях, это снижает электромагнитное излучение пар и перекрёстные помехи между парами. Переходные отверстия используются для перехода проводников между слоями на печатной плате.

Сегодня существует возможность создать более «прозрачное» переходное отверстие, которое оказывает минимальное влияние на целостность сигнала.

Рассмотрим следующее:

1. Основные элементы переходного отверстия на печатной плате

2. Электрические свойства переходного отверстия

3. Создание «прозрачное» переходного отверстия

4. Результат испытания переходного отверстия в дифференциальной паре

1. Основные элементы переходного отверстия на печатной плате

Рассмотрим элементы простого переходного отверстия соединяющего проводник верхнего (Top) слоя с проводником внутреннего (Inner) слоя на печатной плате. На рис. 1 представлена трехмерная модель переходного отверстия. Видим четыре основных элемента: Signal Via - переходное отверстие соединяющее проводники верхнего и внутреннего слоя, Via Stub - неиспользуемая часть переходного отверстия, Via Pad - контактная площадка переходного отверстия и Anti-pad - зазор между металлизацией переходного отверстия и медью (в данном случае полигоном).

Трехмерная модель переходного отверстия на печатной плате

Рисунок 1: трехмерная модель переходного отверстия

2. Электрические свойства переходного отверстия на печатной плате

В Таблице 1 представлены электрических свойств каждого элемента переходного отверстия.

Слой Элемент переходного отверстия Электрические свойства
Слой 1 (Top) контактная площадка переходного отверстия (Via pad) Емкость. Создаёт паразитную ёмкость между площадкой и расположенным под ней полигоном
Слой 1-2 (via) сигнальное переходное отверстие (Signal via) Индуктивность
Слой 2 (plane) зазор между металлизацией переходного отверстия и полигоном земли (Anti-pad) Емкость. Создаёт краевую ёмкость между поверхностью металлического цилиндра via и ближайшим полигоном земли, который окружает это via
Слой 2-3 (via) сигнальное переходное отверстие (Signal via) Индуктивность
Слой 3 (signal) контактная площадка переходного отверстия (Via pad) Емкость
Слой 3-4 (via) неиспользуемая часть переходного отверстия (Via stub) Емкость
Слой 4 (plane) зазор между металлизацией переходного отверстия и полигоном земли (Anti-pad) Емкость
Слой 4-5 (via) неиспользуемая часть переходного отверстия (Via stub) Емкость
Слой 5 (bottom) контактная площадка переходного отверстия (Via pad) Емкость

Таблица 1: электрические свойства элементов переходного отверстия

Простое переходное отверстие представляет собой последовательную П образную цепь, состоящую из элементов Ёмкость – Индуктивность – Ёмкость (C-L-C), образованную между двумя соседними слоями. В Таблице 2 показано влияние элементов переходного отверстия на электрические свойства L и C, а также волновое сопротивление.


Элемент Относительный размер Электрические свойства L и C Волновое сопротивление (импеданс)
Контактная площадка переходного отверстия (Via pad) Маленький Via pad C - уменьшается Z0 - увеличивается
Переходное отверстие (Via hole) Маленький Via hole L - увеличивается Z0 - увеличивается
Зазор между металлизацией переходного отверстия и полигоном земли (Anti-pad) Большой Anti-pad C - уменьшается Z0 - увеличивается
Длина переходного отверстия (Via length) Большой Via length L - увеличивается Z0 - увеличивается
Полигоны (planes) Много planes C - увеличивается Z0 - уменьшается
Неиспользуемая часть переходного отверстия (Via stub) Большой Via stub C - увеличивается Z0 - уменьшается
Расстояние до соседнего переходного отверстия (Via-to-Via pitch) Маленький Via-to-Via pitch C - увеличивается Z0 - уменьшается

Таблица 2: влияние элементов переходного отверстия

Подбором L и C можно создать переходное отверстие, имеющее такой же импеданс, как и проводник, соединяющийся с этим переходным отверстием, тем самым создать согласованную линию передач. Для точного расчёта L и C, нет простой формулы, Однако, с помощью программного обеспечения, предназначенного для электромагнитного 3D моделирования (EM), можно предсказать импеданс на основании размеров элементов переходного отверстия, используемых на печатной плате. Благодаря итерационному процессу 3D симуляции, можно оптимизировать эти размеры и получить требуемые импеданс с пропускную способность лини передач.

3. Создание «прозрачного» переходного отверстия

Дифференциальная пара должна иметь максимальную симметрию между A и B проводниками. Как правило, дифференциальная пара разводится на одном сигнальном слое и если есть необходимость в переходе на другой сигнальный слой, то используются переходные отверстия, которые должны находиться максимально близко друг к другу. Поскольку оба переходных отверстия дифференциальной пары находятся в непосредственной близости друг от друга, то вместо использования двух отдельных Anti-pad используется один овальный Anti-pad сразу для двух отверстий, тем самым уменьшая паразитную ёмкость.
Рядом с каждым сигнальным отверстием ставится земляное отверстие (Ground Via). Земляные отверстия создают пути возвратных токов для A и B отверстий.

На рисунке 2 показан пример структуры типа GND-SIGNAL-SIGNAL-GND (GSSG) для дифференциальных отверстий. Расстояние между двумя соседними переходными отверстиями называется шагом (Via-to-Via pitch) между отверстиями. Маленький шаг вносит больше взаимной ёмкости.

Отверстие типа GND-SIGNAL-SIGNAL-GND (GSSG)

Рисунок 2: структуры типа GND-SIGNAL-SIGNAL-GND (GSSG) с обратным высверливанием (back-drill)

Не стоит забывать, неиспользуемая часть переходного отверстия (Via stub) приводит к серьёзным искажениям целостности сигнала на скорости 10 Гбит/с и выше. К счастью, есть технологический процесс, который позволяет высверлить неиспользуемую часть отверстия (Via stub), называется - обратное высверливание (back-drill). В силу технологических ограничений, полностью высверлить Via stub не удаётся, но есть возможность минимизировать его менее чем до 0.25мм (10mil).

4. Результат испытания переходного отверстия в дифференциальной паре

Печатная плата со структурой отверстий изображённой на рисунке 2 была изготовлена и проверена. Тестовый образец состоит из дифференциальной пары, идущей на внешнем слое Top, далее через дифференциальные переходные отверстия она идёт на внутренний слой, далее через аналогичную структуру отверстий соединяется с площадками BGA корпуса опять на внешнем слое Top. Общая длина пути прохождения сигнала составляет примерно 34мм (1330mils).
С помощью дифференциального рефлектометра (TDR) были произведены измерения импеданса во временной области, пропускной способности с помощью анализатора цепей и его влияние на сигнал путём построения глазковой диаграммы с помощью высокоскоростного осциллографа.

На рисунке 3, 4 и 5 показаны диаграммы импеданса, полосы пропускания и глазковой диаграммы, соответственно. На левом графике показан результат испытаний с использованием back-drill, а на правом без back-drill. Из графика полосы пропускания, рисунок 5, видно, для скоростей передачи данных 10 Гбит/с и выше нужно использовать обратное высверливание (back-drilling).

Импеданс

Рисунок 3: импеданс

Потери на частоте 12.5GHz составляют около 3dB с использование back-drilling и соответственно 8dB без использования back-drilling.

Потери на частоте 12.5GHz

Рисунок 4: потери

Глазковая диаграмма 25Gbps

Рисунок 5: глазковая диаграмма, скорость передачи данных 25Gbps

TI (Texas Instruments) имеет богатый выбор высокоскоростных микросхем, таких как retimers и redrivers. Они помогают уменьшить недостатки и высокие потери для всех типов дифференциальных пар, обеспечивая надёжную передачу данных и увеличивая расстояние передачи данных для современных систем.


Источник информации: перевод статьи «Differential pairs: four things you need to know about vias» T.K. Chin Jun 10, 2015, TI.


Изготовление печатных плат

  • Использование материалов Nelco, Megtron 6 - позволяет получить минимальное затухание для цифровых сигналов 28Gbps и выше.
  • Торцевая металлизация печатных плат.
  • Комбинирование материалов в пределах одной печатной платы. Мы поможем вам подобрать оптимальную структуру платы на базе имеющихся материалов.

Проектирование печатных плат

  • Высокоскоростные последовательные интерфейсы: HMC, PCI Express 3.0, SATA-3, SFP28, QSFP28, и др..
  • Печатные платы в формате встраиваемых модулей: AMC, XMC, cPCI, cPCI Serial, FMC+ и FMC. Гибко-жесткие печатные платы.
  • Анализ перекрёстных помех, (Crosstalk Analysis), извлечение S параметров, построение 3D модели печатной платы.