Einleitung: Eine frustrierende Debugging-Erfahrung

Letztes Jahr habe ich in einem Projekt einen 16-Bit-ADC zur Erfassung von Sensordaten verwendet. Das gemessene Rauschen war extrem hoch, mit einer SNR, die fast 15 dB unter dem theoretischen Wert lag. Nach Überprüfung aller Komponenten war das Netzteilrauschen in Ordnung, die Referenzspannungsquelle stabil und um den ADC waren ausreichend Entkopplungskondensatoren angebracht. Schließlich wurde das Problem an einer unauffälligen Stelle entdeckt – eine Via wurde für die analoge Eingangssignalleitung verwendet und auf eine innere Lage verlegt.

Zu diesem Zeitpunkt war diese Via weniger als 3 mm von der Via der digitalen Taktsspur entfernt. Nach der Neugestaltung und der Platzierung aller analogen Signale auf der obersten Lage wurde das Problem sofort behoben. Diese Erfahrung war ziemlich schmerzhaft und gab mir ein tieferes Verständnis für das Thema "Vias für analoge Signalleitungen".

Tatsächlich ist dieses Problem ziemlich häufig. Viele Ingenieure haben polarisierte Einstellungen zu Vias beim Entwurf von Leiterplatten: Entweder sie scheuen sich davor, sie zu verwenden, und möchten alle Spuren auf derselben Lage verlegen; oder sie verwenden sie sorglos und ignorieren Vias vollständig. Beide Extreme können zu Problemen führen.

Welchen Einfluss haben Vias auf analoge Signale?

Um zu verstehen, wann Vias verwendet werden sollten und wann nicht, müssen wir zuerst verstehen, was Vias mit analogen Signalen machen. Eine Via ist nicht einfach nur eine "Drahtverbindung"; sie ist im Wesentlichen eine Struktur mit parasitärer Induktivität und Kapazität.

Eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser von 0,3 mm hat eine parasitäre Induktivität von etwa 0,5-1,2 nH und eine parasitäre Kapazität von 0,3-0,8 pF. Diese Werte erscheinen klein, aber ihr Einfluss auf analoge Signale kann weitaus größer sein, als Sie vielleicht denken.

Der Einfluss parasitärer Induktivität
Parasitäre Induktivität interagiert mit Kapazität im Signalpfad und erzeugt einen LC-Filtereffekt, der zu einer Dämpfung von Hochfrequenzkomponenten führt. Dieser Effekt ist für hochfrequente analoge Signale (wie z. B. RF-Front-Ends) signifikant. Nach meiner Erfahrung kann bei Frequenzen über 500 MHz der Einfügungsverlust einer einzelnen Via 0,2-0,5 dB erreichen.

Problematischer ist, dass die Induktivität die Anstiegs- und Abfallflanken des Signals verlangsamt. Für schnelle analoge Signale bedeutet dies Bandbreitenverlust. Für Abtasttaktsignale führt eine verlangsamte Flanke direkt zu Jitter und beeinträchtigt die SNR des ADC.

Der Einfluss parasitärer Kapazität

Parasitäre Kapazität ist heimtückischer. Kapazität bildet sich zwischen dem Via-Pad und der Referenzebene, die auf die Signalleitung wirkt und zu einem Impedanzabfall führt. Für Knoten mit hoher Impedanz (wie z. B. der Eingang eines Operationsverstärkers) bildet diese Kapazität einen Spannungsteiler mit der Quellimpedanz, was zu Signalabschwächung führt.

[Fallstudie] In einer Präzisionsmessschaltung beträgt die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 1 MΩ und die parasitäre Via-Kapazität 0,5 pF. Bei 100 kHz beträgt die Kondensatorimpedanz etwa 3,2 MΩ, und der Effekt ist nicht signifikant. Bei 10 MHz sinkt die Kondensatorimpedanz jedoch auf 32 kΩ, und das Signal wird um das 30-fache gedämpft!

Stub-Effekt: Eine vernachlässigte Fallgrube
Wenn eine Via nicht vollständig genutzt wird (z. B. von L1 nach L3, aber die Via durch die gesamte Platine verläuft), wird die untere Hälfte der Via zu einem "Stub". Dieser Stub wirkt wie eine Antenne und schwingt bei einer bestimmten Frequenz.

Die Formel zur Berechnung der Resonanzfrequenz lautet: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Dabei ist L die Stub-Länge und Dk_eff die effektive Dielektrizitätskonstante. Der Einfügungsverlust steigt dramatisch an, wenn die Stub-Länge eine Viertelwellenlänge erreicht. Für eine Standard-1,6-mm-dicke Vierlagenplatine liegt die Stub-Resonanzfrequenz bei etwa 10-15 GHz. Wenn die Platine jedoch dicker ist oder der Stub länger ist, wird die Resonanzfrequenz niedriger und beeinträchtigt höherfrequente analoge Signale.

【Warnung】Der Effekt des Stubs ist nicht linear. Die Signalqualität verschlechtert sich drastisch in der Nähe der Resonanzfrequenz. Wenn die Frequenz Ihres analogen Signals zufällig nahe am Resonanzpunkt liegt, können die Folgen schwerwiegend sein.

Rückweg unterbrochen

Dies ist die größte versteckte Gefahr von Vias für analoge Signale. Wenn ein Signal die Lage wechselt, wechselt auch der Rückstrom die Lage. Wenn das Signal von L1 nach L3 wechselt, muss der Rückstrom, der ursprünglich auf der Massefläche von L2 floss, nun einen Weg zur entsprechenden Massefläche von L3 finden.

Ohne passende Masse-Vias muss der Rückstrom einen längeren Weg nehmen und bildet eine große Stromschleife. Diese Schleife wirkt wie eine Antenne, die sowohl Störungen sendet als auch empfängt. Für schwache analoge Signale ist dies fatal.

Wann können Vias verwendet werden?

Nachdem so viele Risiken besprochen wurden, bedeutet dies, dass analoge Signale überhaupt keine Vias verwenden können? Nicht unbedingt. In einigen Fällen ist die Verwendung von Vias vernünftig, sogar notwendig.

Niederfrequente analoge Signale können Vias verwenden.

Analoge Signale mit Frequenzen unter 10 MHz sind nicht sehr empfindlich gegenüber den parasitären Parametern von Vias. Gewöhnliche Audiosignale, DC-Bias und langsame Sensorsignale können sicher Vias zum Lagenwechsel verwenden. Achten Sie nur darauf, nicht zu viele zu verwenden.

Persönlich denke ich, dass der Einfluss von Vias auf DC- und niederfrequente Signale vernachlässigbar ist. Es sei denn, Ihr Signal ist extrem schwach (im Mikrovolt-Bereich), machen Sie sich keine zu großen Sorgen.

Strom- und Masseanschlüsse müssen Vias verwenden.

Die Verwendung von Vias für Strom- und Masseanschlüsse ist notwendig, und Sie sollten viele verwenden. Stromversorgungsnetze (PDNs) erfordern niederimpedante Pfade, und die Via-Induktivität ist ein Engpass. Die äquivalente Induktivität nimmt mit parallelen Verbindungen ab.

【Empfehlung】Für Strom-Vias werden mindestens 2-3 Vias für 1A Strom empfohlen. Für Hochstromanwendungen (z. B. Eingänge von Strommodulen) sind mehr Vias erforderlich; sparen Sie nicht an Platz.

Vias können verwendet werden, wenn ein passender Rückweg vorhanden ist.

Wenn eine Masse-Via neben einer Signal-Via liegt und die Masse-Via sehr nahe an der Signal-Via liegt (idealerweise weniger als 100 mil), ist der Rückweg vollständig. In diesem Fall wird der Einfluss von Vias auf analoge Signale stark reduziert.

Insbesondere sollte bei jedem Lagenwechsel einer Signal-Via eine Masse-Via daneben platziert werden, um die Masseflächen der alten und neuen Lagen zu verbinden. Für Differenzsignale ist es besser, eine Masse-Via zwischen zwei Signal-Vias zu platzieren.

Blind-Vias/Buried-Vias können verwendet werden.

Blind-Vias verbinden nur eine äußere Lage mit einer inneren Lage, und Buried-Vias verbinden nur eine innere Lage; ihre parasitären Parameter sind viel kleiner als die von Durchgangsbohrungen. Wichtiger ist, dass Blind- und Buried-Vias keine langen Stubs erzeugen, was sie für Hochfrequenzsignale viel freundlicher macht.

Wenn es das Budget erlaubt, sollten Blind- oder Buried-Vias für hochpräzise und hochfrequente analoge Schaltungen bevorzugt werden. Insbesondere für 24-Bit- und höhere ADCs und GHz-Level-HF-Schaltungen sind Blind- und Buried-Vias fast Standard.

Wann sollten Sie keine Vias verwenden?

In einigen Fällen ist es am besten, Vias für analoge Signalleitungen zu vermeiden oder äußerst vorsichtig zu sein.

Hochpräzise analoge Signale erfordern Vorsicht.

Für 16-Bit- und höhere ADCs/DACs oder Systeme mit einer Anforderung an das Signal-Rausch-Verhältnis von über 80 dB sollte der analoge Signalpfad so sauber wie möglich sein. Parasitäre Parameter, die durch Vias eingeführt werden, können zu erhöhten Quantisierungsfehlern und einer Verschlechterung von INL/DNL führen.

[Beispiel] Ein 24-Bit-Datenerfassungssystem wurde mit einer theoretischen SNR von 112 dB entwickelt. Tatsächliche Tests zeigten nur 95 dB. Nach der Untersuchung wurde festgestellt, dass die analogen Eingangsleitungen Vias hatten und der Stub-Resonanzpunkt genau am Rand der Signalbandbreite lag. Nach der Umstellung des Routings auf dieselbe Lage verbesserte sich die SNR auf 108 dB.

Seien Sie vorsichtig bei hochfrequenten analogen Signalen.

Für analoge Signale über 100 MHz (HF, Hochgeschwindigkeits-Takt) kann die parasitäre Induktivität von Vias zu einem Engpass werden. Signalflanken werden verschlechtert, Impedanzdiskontinuitäten treten auf, was zu Reflexionen führt.

Für HF-Signal-Lagenwechsel ist es am besten, speziell entwickelte Via-Strukturen zu verwenden, kombiniert mit Anti-Pad-Optimierung und Ground-Via-Fencing. Einfaches Platzieren von gewöhnlichen Vias führt zu schlechtem VSWR.

Platzieren Sie keine Vias unter empfindlichen analogen Bereichen.

Vermeiden Sie es, nicht zusammengehörige Vias in der Nähe empfindlicher Schaltungen wie Quarzoszillatoren, Phasenregelkreisen, Referenzspannungsquellen und Eingangsknoten mit hoher Impedanz zu platzieren. Vias können die Integrität der Massefläche stören und Rauschen von anderen Lagen "leiten".

【Hinweis】Insbesondere für digitale Signal-Vias dürfen niemals analoge Schaltungsbereiche durchquert werden. Hochfrequentes Rauschen von digitalen Signalen kann über die parasitäre Kapazität der Vias auf analoge Leitungen gekoppelt werden. Nach meiner Erfahrung sollten digitale Vias mindestens 10 mm von empfindlichen analogen Schaltungen entfernt sein.

Seien Sie vorsichtig, wenn die Massefläche unterbrochen ist.

Wenn Vias dicht gepackt sind und ein großes Fenster (Anti-Pad) auf der Massefläche erzeugen, wird die Kontinuität der Massefläche unterbrochen. Der Rückstrom wird gezwungen, einen Umweg zu nehmen und bildet eine Schleifenantenne.

Dieses Problem ist besonders gravierend auf Mixed-Signal-Leiterplatten. Wenn die analoge Massefläche durch Vias unterbrochen wird, kann digitales Rauschen durch Kopplungswege in den analogen Bereich eindringen.

Praktische Designüberlegungen

Nachdem die Prinzipien und Grenzbedingungen verstanden wurden, wie gehen wir im tatsächlichen Design vor? Hier sind einige persönliche Tipps:

Planen Sie Ihre Routing-Strategie, um Lagenwechsel zu minimieren.

Die besten Vias sind diejenigen, die nicht gebohrt werden. Während der Platzierungsphase definieren Sie den Routing-Pfad klar und versuchen Sie sicherzustellen, dass kritische analoge Signale auf derselben Lage abgeschlossen werden. Wenn ein Lagenwechsel absolut notwendig ist, priorisieren Sie den Wechsel in der Nähe der Chip-Pins und vermeiden Sie es, Vias plötzlich mitten in der Spur zu bohren.

Optimieren Sie Via-Parameter

Wenn Vias notwendig sind, optimieren Sie sie bis zum Äußersten:

• Kleinster Via-Durchmesser:0,2 mm oder kleiner, was zu geringeren parasitären Parametern führt.
• Anti-Pads entsprechend vergrößern:Standard ist 10 mil, Hochgeschwindigkeitssignale können auf 20-30 mil vergrößert werden.
• Pads sollten nicht zu groß sein:Übermäßig große Pads erhöhen die parasitäre Kapazität und nehmen Platz ein.

Passende Rückweg-Vias

Betrachten Sie für jede Signal-Via den Rückweg. Wenn das Signal von L1 nach L3 wechselt und die Massefläche auf L2 liegt, dann sollte eine Masse-Via neben der Signal-Via platziert werden, um die Masseflächen von L2 und L3 zu verbinden.

Die Masse-Via sollte so nah wie möglich an der Signal-Via liegen; innerhalb von 100 mil ist ein sicherer Bereich. Innerhalb von 50 mil ist noch besser.

Analog-Digital-Trennung und -Isolation

Bei Mixed-Signal-Leiterplatten müssen analoge und digitale Bereiche physisch getrennt werden. Vias sollten ebenfalls getrennt werden, mit analogen Vias im analogen Bereich und digitalen Vias im digitalen Bereich. Lassen Sie digitale Vias nicht den analogen Bereich "durchqueren".

Wenn Mixed-Signal-Geräte wie ADCs/DACs vorhanden sind, platzieren Sie Vias in der Nähe der Geräte, um zu verhindern, dass analoge Signale lange Strecken durch den digitalen Bereich zurücklegen.

Simulationsverifizierung:

Für Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisionsdesigns verlassen Sie sich nicht nur auf Erfahrung. Verwenden Sie SI-Simulationstools, um die Impedanz, Reflexion und den Einfügungsverlust von Vias zu überprüfen. Insbesondere der Stub-Resonanzpunkt; die Simulation wird ihn sofort aufdecken.

Häufige Missverständnisse geklärt:

• "Weniger Vias sind besser"

—Nicht ganz richtig. Signal-Vias sollten tatsächlich weniger sein, aber Strom- und Masse-Vias sollten zahlreicher sein. Der Schlüssel ist, sie unterschiedlich zu behandeln.

• "Analoge Masse muss von digitaler Masse getrennt sein"

—Nicht absolut. Einfache Systeme profitieren oft von einer einheitlichen Massefläche. Komplexe Systeme erfordern eine Trennung, und selbst dann sind Einzelpunktverbindungen notwendig.

• "Blind-Vias sind zu teuer und unnötig"

—Das hängt von der Anwendung ab. Für 24-Bit-ADCs und GHz-HF sind Blind-Vias eine lohnende Investition. Für gewöhnliche Anwendungen sind sie tatsächlich unnötig.

Zusammenfassung:

Können analoge Signalleitungen Vias verwenden? Die Antwort lautet: Es kommt darauf an. Niedrige Frequenzen sind nicht empfindlich, daher können Vias verwendet werden; hohe Präzision erfordert Vorsicht, daher sollten Vias nach Möglichkeit vermieden werden; hohe Frequenzen erfordern spezielle Handhabung, und wenn sie verwendet werden, sollten die Parameter optimiert werden. Die Kernprinzipien sind:

• Vias nach Möglichkeit vermeiden;

Planen Sie Ihre Routing-Strategie gut, um Lagenwechsel zu reduzieren.

• Wenn Sie Vias verwenden müssen, verwenden Sie sie gut;

Optimieren Sie den Via-Durchmesser, Anti-Pads und verwenden Sie passende Rückweg-Vias.

• Empfindliche Signale umleiten;

Routen Sie hochpräzise, hochfrequente analoge Signale zur obersten Lage, um Stubs zu vermeiden.

• Analoge und digitale Signale trennen;

Zonen nicht mit Vias kreuzen, um Rauschkopplung zu vermeiden.

• Simulieren und verifizieren;

Verlassen Sie sich bei Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisionsdesigns nicht nur auf Erfahrung.

Obwohl Vias klein sind, gibt es viel zu lernen. Verstehen Sie die Prinzipien, erfassen Sie die Grenzen, und analoge Signal-Vias werden nicht zu Fallstricken in Ihren Designs. Ich hoffe, diese Erfahrung ist hilfreich.