비아는 커패시터가 아닙니다: 초과 리액턴스 및 상승 시간

사람들을 두렵게 하는 숫자

FR-4에 0.3mm 드릴, 0.6mm 패드 및 1.0mm 안티패드를 갖춘 1.6mm 스루 비아는 패드-안티패드 커패시턴스가 약 0.57pF이고 배럴 인덕턴스가 1.14nH입니다.

0.57pF는 빠른 신호를 차단하기에 많은 것처럼 들립니다.그렇지 않습니다. 그 이유는 대부분 토론 건너뛰기 때문입니다.

한 줄에 들어갈 수 있는 값 빼기

전송선의 일반 섹션에도 인덕턴스와 커패시턴스가 있습니다.이것이 송전선로가 되는 이유입니다.적절하게 종단된 노선은 두 노선이 모두 있음에도 불구하고 이를 반영하지 못합니다.

수신자가 보는 것은불균형입니다.따라서 동일한 전기 길이의 일치하는 부분이 기여했을 값을 빼세요.

위의 50 Ω 줄에 있는 비아의 경우:

• L/Z₀² = 0.456 pF
• C_exc = 0.572 − 0.456 = 0.116 pF

따라서 놀라운 0.57pF의 4/5는 전혀 불연속성이 아닙니다.0.116pF에 불과합니다.

C_exc 와 L_exc 중 정확히 하나가 양수이고 어느 쪽이 비아의 특성을 말해줍니다.여기서 C_exc 는 양수이므로 비아는 용량형입니다. 이는 타이트한 안티패드에 큰 패드를 넣는 일반적인 경우입니다.

이에 대한 명확한 설명: √(L/C) 이 Z₀ 와 같은 비아는 개별 $L$ 및 $C$ 크기가 아무리 커도 전기적으로 보이지 않습니다.이것은 50 Ω 의 선과 √(L/C) = 44.6 Ω 의 반대입니다. 그래서 보이지 않는 것에 가깝지만 완전히 보이지는 않습니다.

초과분을 타이밍으로 전환

작은 션트 커패시턴스는 부하와 병렬로 소스 임피던스를 통해 충전됩니다 — $Z_0/2$.그러면 1차 시간 상수 τ = Z₀·C_exc/2, 가 되고 10—90% 에지로 변환하면 $\ln 9 \approx 2.2$ 곱셈이 됩니다.

모서리는 직각으로 결합되므로 다음과 같습니다.

400ps의 LVDS 엣지에서는 $\sqrt{400^2 + 6.38^2} = 400.05$ ps입니다.0.013% 의 효과가 나타납니다.20ps 엣지에서 동일한 6.38ps는 21.0ps로 5% 의 효과를 나타냅니다.

쿼드러처 덧셈은 비아 디자인이 적당한 엣지 레이트에서는 관대하고 빠른 엣지 레이트에서는 용서할 수 없는 이유입니다.지오메트리는 변하지 않았습니다. 스펙트럼은 변했습니다.

리플렉션 스케일이 타이밍보다 나쁘다

작은 불연속으로 인한 피크 반사는 다음과 같습니다.

상승 시간에 반비례합니다. 구적법에서는 아닙니다.따라서 엣지 레이트에 정비례하여 커집니다.

• 2ns 에지: 0.145%
• 400ps 엣지: 0.73%
• 100ps 엣지: 2.9%
• 30ps 엣지: 9.7%

20배 빠른 엣지, 20배 더 빠른 반사.이것이 바로 고속 링크를 실제로 없애는 용어이며, SerDes 속도가 두 배로 증가할 때 이전 세대 제품에서는 괜찮았던 비아가 문제가 되는 이유이기도 합니다.

안티패드를 최대로 사용하지 마세요

다음은 직관적이지 않은 부분이며, 이 기사에서 가장 유용한 내용입니다.

본능적으로 커패시턴스가 적을수록 좋기 때문에 비행기가 허용하는 한 안티패드를 여십시오.위의 비아에서 시도해 보세요. 안티패드를 1.0mm에서 2.0mm로 늘리세요.

• 커패시턴스가 0.572pF에서 0.163pF로 떨어짐
• 100ps 엣지에서의 반사는 2.9% 에서 7.3% 로 증가합니다.

비자가 너무 멀리 갔어요.커패시턴스가 매우 적었기 때문에 L_exc = L − C·Z₀² 가 포지티브로 바뀌었고 이제 비아가 인덕티브 우세합니다.이전과 마찬가지로 반대 방향으로도 불연속성이 발생합니다.

목표값은 C = 0이 아닙니다.C = L/Z₀². 입니다. 초과 커패시턴스 출력이 0을 넘는 것을 보고 거기서 멈춥니다.

자기 공명은 모델의 유효성을 설정합니다

L과 C는 이 비아에서 f₀ = 1/(2π√(LC)) — 6.24GHz에서 공진합니다.신호의 무릎 주파수는 400ps에서 0.5/t_r: 1.25 GHz, 100ps에서 5GHz입니다.

무릎이 f₀, 의 약 3분의 1 이내로 들어오면 비아는 더 이상 전기적으로 짧지 않으며 일괄형 모델은 낙관적이 됩니다.그 이후로는 3D 필드 솔버만이 신뢰할 수 있는 답을 제공합니다.계산된 반사가 약 30% 를 초과할 때도 마찬가지입니다. 반사 공식의 기반이 되는 작은 불연속 근사치가 무너진 것입니다.

참고로 이것은 비아 스터브 레조넌스와는 다른* 메커니즘입니다. λ/4 Stub 공진은 사용하지 않은 길이의 배럴이 개방형 전송선 역할을 할 때 발생하며 깊고 좁은 삽입 손실 널을 생성합니다.일반적으로 둘 중 주파수가 낮을수록 더 큰 피해를 줍니다.둘 다 무릎 위에 있어야 합니다.

실제로 도움이 되는 것

비아가 연결되지 않는 레이어의 작동하지 않는 패드를 제거하세요.일반적으로 커패시턴스 감소 효과가 가장 큰 것으로, 비용은 전혀 들지 않습니다.

그루터기를 뒤로 뚫으십시오. 배럴을 줄이면 $L$ 및 $C$ 이 함께 감소하여 한 기생을 다른 기생으로 교환하는 대신 자기 공명을 높일 수 있습니다.또한 λ/4 스텁 레조넌스도 죽게 되는데, 이는 종종 더 큰 이득입니다. 안티패드를 최대치가 아닌 C = L/Z₀², 쪽으로 조정하십시오. 정확한 배럴 길이를 사용하십시오. 백 드릴링 후 신호는 남은 길이만 가로지릅니다.전체 보드 두께를 사용하면 두 기생충 모두 과장됩니다. 차동 쌍의 경우 단일 종단 임피던스에서 각 비아를 모델링하십시오. 100 Ω 쌍은 두 개의 50 Ω 라인입니다. 비아 스텝 응답 계산기은 주어진 상승 시간 동안 임피던스, 자기 공진, 에지 저하 및 피크 반사를 통해 초과 항인 L, C를 보고합니다.