Introduzione: Un'esperienza frustrante di debug

L'anno scorso, in un progetto, un ADC a 16 bit stava acquisendo dati da un sensore. Il rumore misurato era estremamente elevato, con un SNR quasi 15 dB inferiore al valore teorico. Dopo aver controllato tutto, l'ondulazione dell'alimentazione era a posto, la sorgente di tensione di riferimento era stabile e sono stati aggiunti condensatori di disaccoppiamento sufficienti attorno all'ADC. Infine, il problema è stato scoperto in un luogo poco appariscente: un via è stato utilizzato per la linea del segnale di ingresso analogico ed è stato spostato su uno strato interno.

All'epoca, quel via si trovava a meno di 3 mm dal via della traccia dell'orologio digitale. Dopo la riprogettazione, il posizionamento di tutti i segnali analogici sullo strato superiore ha risolto immediatamente il problema. Questa esperienza è stata piuttosto dolorosa e mi ha dato una comprensione più profonda dell'argomento "via per le linee di segnale analogico".

In effetti, questo problema è abbastanza comune. Molti ingegneri hanno atteggiamenti polarizzati nei confronti dei via nella progettazione di PCB: o hanno paura di usarli, volendo instradare tutte le tracce sullo stesso strato; oppure li usano con noncuranza, ignorando completamente i via. Entrambi gli estremi possono portare a problemi.

Che impatto hanno i via sui segnali analogici?

Per capire quando usare i via e quando no, dobbiamo prima capire cosa fanno i via ai segnali analogici. Un via non è semplicemente una "connessione a filo"; è essenzialmente una struttura con induttanza e capacità parassite.

Un foro passante di diametro 0,3 mm ha un'induttanza parassita di circa 0,5 ~ 1,2 nH e una capacità parassita di 0,3 ~ 0,8 pF. Questi valori sembrano piccoli, ma il loro impatto sui segnali analogici può essere molto maggiore di quanto si possa immaginare.

L'impatto dell'induttanza parassita
L'induttanza parassita interagisce con la capacità nel percorso del segnale per creare un effetto di filtraggio LC, portando all'attenuazione delle componenti ad alta frequenza. Questo effetto è significativo per i segnali analogici ad alta frequenza (come i front-end RF). Dalla mia esperienza, a frequenze superiori a 500 MHz, la perdita di inserzione di un singolo via può raggiungere 0,2 ~ 0,5 dB.

Più problematico è che l'induttanza rallenta i bordi di salita e discesa del segnale. Per i segnali analogici ad alta velocità, ciò si traduce in una perdita di larghezza di banda. Per i segnali di clock di campionamento, un bordo rallentato introduce direttamente jitter, influenzando l'SNR dell'ADC.

L'impatto della capacità parassita

La capacità parassita è più insidiosa. La capacità si forma tra il pad del via e il piano di riferimento, che viene applicato alla linea del segnale, causando una caduta di impedenza. Per nodi ad alta impedenza (come l'ingresso dell'amplificatore operazionale), questa capacità forma un partitore di tensione con l'impedenza della sorgente, portando all'attenuazione del segnale.

[Studio di caso] In un circuito di misurazione di precisione, l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è di 1 MΩ e la capacità parassita del via è di 0,5 pF. A 100 kHz, l'impedenza del condensatore è di circa 3,2 MΩ e l'effetto non è significativo. Tuttavia, a 10 MHz, l'impedenza del condensatore scende a 32 kΩ e il segnale viene attenuato di 30 volte!

Effetto Stub: una insidia trascurata
Se un via non viene completamente utilizzato (ad esempio, da L1 a L3, ma il via attraversa l'intero circuito stampato), la metà inferiore del via diventa uno "stub". Questo stub agisce come un'antenna, risuonando a una frequenza specifica.

La formula per calcolare la frequenza di risonanza è: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Dove L è la lunghezza dello stub e Dk_eff è la costante dielettrica effettiva. La perdita di inserzione aumenta drasticamente quando la lunghezza dello stub raggiunge un quarto di lunghezza d'onda. Per un normale circuito stampato a quattro strati di 1,6 mm di spessore, la frequenza di risonanza dello stub è di circa 10 ~ 15 GHz. Tuttavia, se il circuito stampato è più spesso o lo stub è più lungo, la frequenza di risonanza sarà inferiore, influenzando i segnali analogici a frequenza più alta.

【Attenzione】L'effetto dello stub non è lineare. La qualità del segnale si deteriora drasticamente vicino alla frequenza di risonanza. Se la frequenza del segnale analogico cade per caso vicino al punto di risonanza, le conseguenze possono essere gravi.

Percorso di ritorno interrotto

Questo è il più grande pericolo nascosto dei via per segnali analogici. Quando un segnale cambia strato, anche la corrente di ritorno cambia strato. Se il segnale passa da L1 a L3, la corrente di ritorno, che originariamente scorreva sul piano di massa di L2, ora deve trovare un percorso per tornare al piano di massa corrispondente di L3.

Senza via di massa corrispondenti, la corrente di ritorno deve percorrere un tragitto più lungo, formando un grande anello di corrente. Questo anello agisce come un'antenna, sia trasmettendo che ricevendo interferenze. Per segnali analogici deboli, questo è fatale.

Quando si possono usare i via?

Avendo discusso così tanti rischi, ciò significa che i segnali analogici non possono usare i via affatto? Non necessariamente. In alcuni casi, l'uso dei via è ragionevole, persino necessario.

I segnali analogici a bassa frequenza possono usare i via.

I segnali analogici con frequenze inferiori a 10 MHz non sono molto sensibili ai parametri parassiti dei via. Segnali audio ordinari, bias DC e segnali di rilevamento a bassa velocità possono utilizzare in sicurezza i via per il cambio di strato. Basta fare attenzione a non usarne troppi.

Personalmente, penso che l'impatto dei via sui segnali DC e a bassa frequenza sia trascurabile. A meno che il tuo segnale non sia estremamente debole (nell'ordine dei microvolt), non preoccuparti troppo.

Le linee di alimentazione e di massa devono usare i via.

L'uso dei via per le linee di alimentazione e di massa è necessario e dovresti usarne molti. Le reti di distribuzione dell'alimentazione (PDN) richiedono percorsi a bassa impedenza e l'induttanza dei via è un collo di bottiglia. L'induttanza equivalente diminuisce con le connessioni parallele.

【Raccomandazione】Per i via di alimentazione, si raccomandano almeno 2-3 via per 1A di corrente. Sono necessari più via per applicazioni ad alta corrente (ad esempio, ingressi di moduli di alimentazione); non lesinare sullo spazio.

I via possono essere utilizzati quando esiste un percorso di ritorno corrispondente.

Se un via di massa si trova accanto a un via di segnale, e il via di massa è molto vicino al via di segnale (idealmente meno di 100 mil), il percorso di ritorno è completo. In questo caso, l'impatto dei via sui segnali analogici è notevolmente ridotto.

Nello specifico, ogni volta che un via di segnale cambia strato, posiziona un via di massa accanto ad esso per collegare i piani di massa dei vecchi e dei nuovi strati. Per i segnali differenziali, è meglio posizionare un via di massa tra due via di segnale.

Si possono usare via ciechi/via interrati.

I via ciechi collegano solo uno strato esterno a uno strato interno, e i via interrati collegano solo uno strato interno; i loro parametri parassiti sono molto più piccoli di quelli dei via passanti. Ancora più importante, i via ciechi e interrati non creano lunghi stub, rendendoli molto più adatti ai segnali ad alta frequenza.

Se il costo lo consente, i via ciechi o interrati dovrebbero essere preferiti per circuiti analogici ad alta precisione e alta frequenza. Soprattutto per ADC a 24 bit e superiori e circuiti RF a livello di GHz, i via ciechi e interrati sono quasi uno standard.

Quando non si dovrebbero usare i via?

In alcuni casi, è meglio evitare i via per le linee di segnale analogico, o essere estremamente cauti.

I segnali analogici ad alta precisione richiedono cautela.

Per ADC/DAC a 16 bit e superiori, o sistemi con un requisito di rapporto segnale-rumore superiore a 80 dB, il percorso del segnale analogico dovrebbe essere il più pulito possibile. I parametri parassiti introdotti dai via possono portare a un aumento degli errori di quantizzazione e al deterioramento dell'INL/DNL.

[Esempio] È stato progettato un sistema di acquisizione dati a 24 bit con un SNR teorico di 112 dB. I test effettivi hanno mostrato solo 95 dB. Dopo indagini, si è scoperto che le linee di ingresso analogico avevano dei via, e il punto di risonanza dello stub cadeva proprio sul bordo della larghezza di banda del segnale. Dopo aver modificato il routing sullo stesso strato, l'SNR è migliorato a 108 dB.

Prestare attenzione ai segnali analogici ad alta frequenza.

Per segnali analogici superiori a 100 MHz (RF, clock ad alta velocità), l'induttanza parassita dei via può diventare un collo di bottiglia. I bordi del segnale si degraderanno, appariranno discontinuità di impedenza, portando a riflessioni.

Per il cambio di strato dei segnali RF, è meglio utilizzare strutture di via appositamente progettate, combinate con l'ottimizzazione degli anti-pad e il fencing dei via di massa. Il semplice posizionamento di via ordinari risulterà in un cattivo VSWR.

Non posizionare via sotto aree analogiche sensibili.

Evitare di posizionare via non correlati vicino a circuiti sensibili come oscillatori a cristallo, loop a blocco di fase, sorgenti di tensione di riferimento e nodi di ingresso ad alta impedenza. I via possono interrompere l'integrità del piano di massa e "guidare" il rumore da altri strati.

【Nota】In particolare per i via di segnale digitale, non attraversare mai aree di circuiti analogici. Il rumore ad alta frequenza dai segnali digitali può accoppiarsi alle linee analogiche attraverso la capacità parassita dei via. Dalla mia esperienza, i via digitali dovrebbero essere ad almeno 10 mm di distanza da circuiti analogici sensibili.

Prestare attenzione quando il piano di massa è interrotto.

Se i via sono densamente raggruppati, creando una grande finestra (anti-pad) sul piano di massa, la continuità del piano di massa viene interrotta. La corrente di ritorno è costretta a deviare, formando un'antenna ad anello.

Questo problema è particolarmente grave sui PCB a segnale misto. Se il piano di massa analogico è interrotto dai via, il rumore digitale può penetrare nell'area analogica attraverso percorsi di accoppiamento.

Considerazioni pratiche di progettazione

Avendo compreso i principi e i confini, come dovremmo procedere nella progettazione effettiva? Ecco alcuni suggerimenti personali:

Pianifica la tua strategia di routing per minimizzare i cambi di strato.

I migliori via sono quelli che non vengono forati. Durante la fase di posizionamento, definisci chiaramente il percorso di routing e cerca di garantire che i segnali analogici critici siano completati sullo stesso strato. Se un cambio di strato è assolutamente necessario, dai priorità al cambio vicino ai pin del chip ed evita di forare improvvisamente via a metà traccia.

Ottimizza i parametri dei via

Se i via sono necessari, ottimizzali al massimo:

• Diametro del via più piccolo:0,2 mm o inferiore, con conseguenti parametri parassiti inferiori.
• Ingrandisci appropriatamente gli anti-pad:Lo standard è 10 mil, i segnali ad alta velocità possono essere ingranditi a 20 ~ 30 mil.
• I pad non dovrebbero essere troppo grandi:Pad eccessivamente grandi aumentano la capacità parassita e occupano spazio.

Via di ritorno corrispondenti

Per ogni via di segnale, considera il percorso di ritorno. Se il segnale passa da L1 a L3 e il piano di massa è su L2, allora un via di massa dovrebbe essere posizionato accanto al via di segnale per collegare le masse di L2 e L3.

Il via di massa dovrebbe essere il più vicino possibile al via di segnale; entro 100 mil è un intervallo sicuro. Entro 50 mil è ancora meglio.

Separazione e isolamento analogico-digitale

Per i PCB a segnale misto, le aree analogiche e digitali devono essere fisicamente isolate. Anche i via dovrebbero essere separati, con via analogici nell'area analogica e via digitali nell'area digitale. Non lasciare che i via digitali "attraversino" l'area analogica.

Se sono presenti dispositivi a segnale misto come ADC/DAC, posiziona i via vicino ai dispositivi per evitare che i segnali analogici viaggino per lunghe distanze attraverso l'area digitale.

Verifica di simulazione:

Per progetti ad alta velocità e alta precisione, non fare affidamento solo sull'esperienza. Utilizza strumenti di simulazione SI per verificare l'impedenza, la riflessione e la perdita di inserzione dei via. Soprattutto il punto di risonanza dello stub; la simulazione lo rivelerà immediatamente.

Chiarimento di misconcezioni comuni:

• "Meno via sono meglio"

—Non del tutto vero. I via di segnale dovrebbero effettivamente essere meno numerosi, ma i via di alimentazione e di massa dovrebbero essere più numerosi. La chiave è trattarli in modo diverso.

• "La massa analogica deve essere separata dalla massa digitale"

—Non assolutamente. I sistemi semplici spesso beneficiano di un piano di massa unificato. I sistemi complessi richiedono la separazione, e anche in quel caso, sono necessarie connessioni a punto singolo.

• "I via ciechi sono troppo costosi e non necessari"

—Dipende dall'applicazione. Per ADC a 24 bit e RF a GHz, i via ciechi sono un investimento valido. Per applicazioni ordinarie, sono effettivamente non necessari.

Riepilogo:

Le linee di segnale analogico possono usare i via? La risposta è: Dipende. Le basse frequenze non sono sensibili, quindi si possono usare i via; l'alta precisione richiede cautela, quindi evitare i via se possibile; le alte frequenze richiedono una gestione speciale e, se utilizzati, i parametri dovrebbero essere ottimizzati. I principi fondamentali sono:

• Evitare i via se possibile;

Pianifica bene la tua strategia di routing per ridurre i cambi di strato.

• Se devi usare i via, usali bene;

Ottimizza il diametro dei via, gli anti-pad e usa via di ritorno corrispondenti.

• Devia i segnali sensibili;

Instrada i segnali analogici ad alta precisione e alta frequenza sullo strato superiore per evitare stub.

• Dividi i segnali analogici e digitali;

Non attraversare le zone con i via per evitare l'accoppiamento di rumore.

• Simula e verifica;

Non fare affidamento solo sull'esperienza per progetti ad alta velocità e alta precisione.

Sebbene i via siano piccoli, c'è molto da imparare. Comprendi i principi, afferra i confini e i via per segnali analogici non diventeranno insidie nei tuoi progetti. Spero che questa esperienza sia utile.