PCB 設計におけるビアのインピーダンス制御とシグナル インテグリティへの影響

ビアは、多層 PCB (プリント回路基板) の異なる層にまたがるトレースを接続する導体としての役割を果たします。低周波の場合、ビアは信号伝送に影響しません。ただし、周波数が上昇し (1GHz 以上)、信号の立ち上がりエッジが急峻になる (最大で 1ns) ため、ビアは単純に電気接続の機能と見なすことはできず、シグナル インテグリティに対するビアの影響を慎重に検討する必要があります。ビアは、伝送ライン上で不連続なインピーダンスを持つブレークポイントとして動作し、信号の反射を引き起こします。それにもかかわらず、ビアによってもたらされる問題は、寄生容量と寄生インダクタンスに集中します。寄生容量による回路への影響は、主に信号の立ち上がり時間を延長し、回路の実行速度を低下させます。ただし、寄生インダクタンスは、バイパス回路の寄与を弱め、電力システム全体のフィルタリング機能を低下させる可能性があります。この記事では、インピーダンス制御がシグナル インテグリティにどのように影響するかを示し、回路設計に関するアドバイスを提供します。

インピーダンスの連続性に対するビアの影響

ビア有り時とビア無し時のTDR(Time Domain Reflectometer)曲線によると、ビア無しでは明らかな信号遅延が発生します。ビアなしの場合、2 番目のテストホールへの信号伝送の時間スパンは 458ps であり、ビアがある場合の 2 番目のテストホールへの信号伝送の時間スパンは 480ps です。したがって、リード信号を介して 22ps 遅延します。

信号遅延は主に、以下の式で計算されるビアの寄生容量に起因します:

この式では、D₂ 地面のパッドの直径 (mm)、D₁ を指します ビアのパッド径 (mm)、T から PCB 基板の厚さ (mm)、ε_r 基板の誘電率と C をビアの寄生容量 (pF) に。

この議論におけるビアの長さは 0.96mm で、ビアの直径は 0.3mm、パッドの直径は 0.5mm、誘電率は 4.2 であり、上記の式に関与すると、計算された寄生容量は約 0.562pF と計算されます。抵抗が50Ωの信号伝送ラインの場合、このビアによって信号の立ち上がり時間が変化し、その変化量は次の式で計算されます。

上で紹介した式に基づくと、ビア容量による立ち上がり時間の変動は 30.9ps であり、テスト結果 (22ps) よりも 9ps 長く、理論上の結果と実際の結果の間に変動が生じていることを示しています。

結論として、寄生容量による信号遅延はそれほど明白ではありません。ただし、高速回路設計に関しては、特にトレースで多重に適用されるビアでのレイヤー変換に十分注意する必要があります。

寄生容量と比較して、ビアによって特徴付けられる寄生インダクタンスは、回路により多くの損傷をもたらします。ビアの寄生インダクタンスは、次の式で計算できます:

この式で、L はビアの寄生インダクタンス (nH)、h はビアの長さ (mm)、d はビアの直径 (mm) を表します。寄生インダクタンスによる等価インピーダンスは、次の式で計算できます:

テスト信号の立ち上がり時間は500ps、等価インピーダンスは4.28Ωです。しかし、ビアによるインピーダンス変化は 12Ω を超えており、測定値が理論計算値と極端に異なることを示しています。

インピーダンス連続性に対するビア径の影響

一連の実験によれば、ビアの直径が大きいほど、ビアの不連続性が大きくなると結論付けることができます。高周波および高速の PCB 設計プロセスでは、通常、インピーダンスの変化が ±10% の範囲内に制御されているか、信号の歪みが発生する可能性があります。

インピーダンス連続性に対するパッド サイズの影響

寄生容量は、高周波信号帯域内の共振点に与える影響が非常に大きく、寄生容量とともに帯域幅がずれてしまいます。寄生容量に影響を与える主要な要素は、シグナル インテグリティに同等の影響を与えるパッド サイズです。したがって、パッドの直径が大きいほど、インピーダンスの不連続が発生します。

パッドの直径が 0.5mm から 1.3mm の範囲で変化すると、ビアによるインピーダンスの不連続性は常に減少します。パッドのサイズが 0.5mm から 0.7mm に増加すると、インピーダンスは比較的大きな変化振幅を特徴とします。パッドサイズが大きくなるにつれて、ビアインピーダンスの変化がスムーズになります。したがって、パッドの直径が大きいほど、ビアによって引き起こされるインピーダンスの不連続性が低くなります。

経由信号のリターン パス

リターン信号の流れの基本原理は、高速リターン信号電流が最小インダクタンス経路に沿って流れることです。 PCB ボードには複数のグランド プレーンが含まれているため、リターン信号電流は、信号ラインに最も近いグランド プレーンで、信号ラインの下の 1 つの経路に沿って直接流れます。ある点から別の点へのすべての信号電流が同じ平面に沿って流れる状況になると、信号がビアを介してある点から別の点に流れるようになると、グランド接続がないとリターン信号電流はジャンプできなくなります。達成しました。

高速 PCB 設計では、ビア信号電流へのリターン パスを提供して、インピーダンスの不整合をなくすことができます。信号ビアと接地ビアの間に生成されるインダクタンス ループを使用して信号電流のリターン パスを提供するように、ビアの周囲に接地ビアを設計することができます。ビアの影響でインピーダンスの不連続が生じても、インダクタンスループに向かって電流が流れるようになり、信号品質が向上します。

ビアのシグナル インテグリティ

S パラメータを使用して、シグナル インテグリティに対するビアの影響を評価できます。これは、損失、減衰、反射など、チャネル内のすべての成分の特性を表しています。伝送損失を低減するため、ビアの周囲に接地ビアを多く配置するほど、伝送損失は低くなります。周囲にビアを追加して接地することで、ビアによる損失をある程度減らすことができます。

この記事の上記の説明によると、次の 2 つの結論を導き出すことができます。
a.ビアによって生じるインピーダンスの不連続性は、ビアの直径とパッド サイズの影響を受けます。ビア径とパッド径が大きくなるほど、インピーダンスの不連続性が深刻になります。ビアによるインピーダンスの不連続性は、通常、パッドのサイズが大きくなるにつれて低下します。
b. ±10%の範囲内で制御できるビアインピーダンスの不連続性は、接地ビアを追加することで明らかに改善できます。さらに、接地ビアを追加すると、シグナル インテグリティも明らかに向上します。

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