Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB

ghost666 19 Jul 2015 09:51 4290 0
IGE-XAO
  • Przy projektach ultra-szybkich transmisji w obrębie płytki drukowanej, przelotka często degraduje jakość i integralność sygnału. Jednakże implementowanie przelotek na wielowarstwowym PCB jest bardzo często nieuniknione. W typowej płytce drukowanej elementy umieszczane są na górnej warstwie laminatu, a ścieżki par różnicowych, transmitujących dane, prowadzone są wewnątrz PCB, gdzie mniejszy jest przesłuch pomiędzy poszczególnymi parami sygnałowymi. Przelotki muszą zatem zostać wykorzystane, aby doprowadzić sygnał z warstwy górnej do wnętrza PCB.

    Na szczęście, przy odrobinie starania, możliwe jest zaprojektowanie przelotki będącej w miarę przeźroczystą dla sygnału, co minimalizuje zniekształcenia wprowadzane do sygnału. W poniższym artykule omówimy:

    1. Podstawowe elementy przelotki.
    2. Własności elektryczne przelotek.
    3. Metodę projektowania przelotek minimalizującą ich wpływ na sygnał.
    4. Wyniki testów dla różnych przelotek.

    Podstawowe elementy składowe przelotki

    Rozpocznijmy od przyjrzenia się poszczególnym elementom przelotki, które pozwalają na wprowadzenie sygnału z górnej warstwy do wewnętrznej warstwy w środku laminatu. Rysunek pierwszy pokazuje trójwymiarowy model przelotki. Składa się ona z czterech zasadniczych elementów: przelotki sygnałowej, nieużywanej końcówki przelotki, pola lutowniczego przelotki i 'anty' pola otaczającego przelotkę.

    Przelotki to metalowe cylindry wewnątrz laminatu, przechodzące przez otwory od górnej do dolnej warstwy PCB. Przelotki łączą sygnały na różnych warstwach laminatu płytki drukowanej. Końcówki przelotki, to nieużywane jej fragmenty wychodzące poza docelową warstwę. Pola lutownicze to pola w kształcie płaskiego torusa, które łączą przelotkę z ścieżkami elektrycznymi w poszczególnych warstwach. Z kolei 'anty' pola, to okrągłe otwory wycięte w wylewkach masy i zasilania na poszczególnych warstwach PCB, wytworzone, aby uniknąć zwarcia sygnału w przelotce do masy lub zasilania.

    Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB
    Rys.1.Schematyczne przedstawienie pojedynczej przelotki przechodzącej przez warstwy laminatu na PCB.


    Własności elektryczne poszczególnych elementów przelotek

    Przeanalizujmy wszystkie elementy na trasie sygnału przez przelotkę i ich własności elektryczne. Informacje te zebrano w formie tabeli poniżej:










    Warstwa laminatuElement przelotkiWłasności elektryczne
    Warstwa 1 (góna)Pole lutownicze przelotkiPole lutownicze wprowadza pojemność pasożytniczą pomiędzy polem lutowniczym a wylewką masy poniżej
    Warstwy 1-2 (przelotka)Przelotka sygnałowaPrzelotka wprowadza indukcyjność
    Warstwa 2 (wylewka)'anty' pole lutownicze'anty' pole wprowadza pojemność pasożytniczą pomiędzy metalowym cylindrem przelotki, a otaczającym sygnałem
    Warstwa 2-3 (przelotka)Przelotka sygnałowaIndukcyjność
    Warstwa 3 (sygnałowa)Pole lutownicze przelotkiPojemność pasożytnicza pomoędzy polem a wylewką masy
    Warstwa 3-4 (przelotka)Nieużywana resztka przelotkiPojemność pasożytnicza
    Warstwa 4 (wylewka)'anty' pole lutowniczePojemność
    Warstwa 4-5 (przelotka)Nieużywana resztka przelotkiPojemność pasożytnicza
    Warstwa 5 (dolna)Pole lutownicze przelotkiPojemność


    Pojedyncza przelotka zestawiona jest zatem z n sieci pojemność-indukcyjność-pojemność CLC, uformowanych przez sąsiednie elementy. Tabelka poniżej pokazuje, jak na wartości C i L mają wpływ parametry fizyczne przelotki.








    Zmieniany wymiarWłasności elektryczneImpedancja charaketystyczna
    Pole lutownicze przelotkiMniejsze polePojemność spadaRośnie
    Otwór przelotkiMniejszy otwórIndukcyjność rośnieRośnie
    'anty' pole lutowniczeWiększe 'anty' polePojemność spadaRośnie
    Długość przelotkiDłuższa przelotkaIndukcyjność rośnieRośnie
    Wylewki masy i zasilaniaWięcej warstw z wylewkamiPojemność rośnieSpada
    Nieużywane resztki przelotkiDłuższa resztkaPojemność rośnieSpada
    Odległość pomiędzy przelotkamiMniejsza odległośćPojemność rośnieSpada


    Poprzez balansowanie wartością indukcyjności i pasożytniczej pojemności, możliwe jest zaprojektowanie przelotki o takiej samej impedancji charakterystycznej, dzięki czemu będzie ona nie widzialna dla sygnału. Nie istnieje niestety proste równanie łączące wartości C i L z fizycznymi wymiarami przelotek. Aby uzyskać te wartości trzeba zanalizować trójwymiarowy rozkład pola elektromagnetycznego, co pozwala wyznaczyć impedancję przelotki o zadanych kształtach. Poprzez zmianę w wymiarach przelotki można zoptymalizować impedancję, aby uzyskać założoną jej wartość i wymagane w projekcie pasmo sygnałowe.

    Konstrukcja przelotki 'przeźroczystej' dla sygnału

    Jak wiadomo, para różnicowa musi być zaimplementowana w postaci dwóch wysoce symetrycznych ścieżek - A i B. Ścieżki te prowadzone są w tej samej warstwie, a jeżeli zachodzi taka konieczność, przelotki muszą być wprowadzone w obu z nich w niedużej odległości od siebie. Z uwagi, że przelotki te są blisko, stosuje się jako 'anty' pad pojedynczy owalny otwór w wylewkach, otaczający ścieżki pary różnicowej. Zastosowanie takiego wycięcia zmniejsza pojemność pasożytniczą pomiędzy sygnałem a wylewką (masy lub zasilania). Dodatkowo nie należy zapomnieć o umieszczeniu przelotek dla masy obok przelotek sygnałowych, aby zapewnić ścieżkę powrotną dla prądu niesionego przez sygnał różnicowy w ścieżkach A i B.

    Rysunek drugi pokazuje przykładowy projekt przelotek dla pary różnicowej. Odległość pomiędzy przelotkami wpływa na pojemność pomiędzy nimi - im mniejsza, tym pojemność pomiędzy sygnałami A i B większa.

    Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB
    Rys.2.Przelotka różnicowa z tylnym otworem


    Należy pamiętać, że nieużywana końcówka przelotki wprowadza poważne zakłócenia w sygnałach o prędkości powyżej 10 Gbps. Na szczęście otwór w dolnej części PCB, precyzyjnie wywiercony od strony nieużywanej części przelotki, powoduje usunięcie tego jej fragmentu. Zależnie od precyzji wykonania tego otworu, usunięty zostanie metalowy fragment przelotki z dokładnością nawet do 10 milsów.

    Do optymalizacji impedancji przelotki wykorzystano symulator 3D pola elektromagnetycznego. Jest to iteracyjny proces polegający na regulacji wymiarów przelotki i wyznaczeniu impedancji w symulacji - powtarza się to tak długo, aż uzyska się zadowalające wartości w symulacji.

    Jak weryfikować parametru układu

    Para różnicowa, pokazana na rysunku 2, została zrealizowana i zmierzono jej własności elektryczne. Próbka składała się z pary sygnałów różnicowych, przelotki do wnętrza PCB i drugiej przelotki, do pól lutowniczych dla elementu BGA na górnej warstwie. Całkowita długość trasy sygnału wynosiła 1330 milsów. Impedancja różnicowa tego układu zmierzona została różnicowym reflektometrem czasowo-rozdzielczym. Do pomiaru pasma wykorzystano analizator sieci, a efekty jakie przelotki mają na sygnał, oceniono poprzez wykres oczkowy. Pomiary pokazane po lewej stronie są dla przelotek bez wykonanego otworu na dolnej stronie PCB, a po prawej dla wykonanego otworu tego rodzaju. Z wykresów oczkowych i pasma sygnału widać jasno, że otwór ten jest wymagany dla pracy z sygnałami powyżej 10 Gbps.

    Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB
    Rys.3.Wykresy impedancji TDR.


    Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB
    Rys.4.Odpowiedź częstotliwościowa przelotki.


    Transmisja różnicowa: cztery rzeczy, które trzeba wiedzieć o przelotkach na PCB
    Rys.5.Wykresy oczkowe przy 25 Gbps z otworem tylnim (po lewej) i bez niego (po prawej). W sytuacji bez otworu oczko jest zamknięte.


    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2015/06/10/differential-pairs-four-things-you-need-to-know-about-vias

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11099 posts with rating 9414, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO