Leiterplattentechnisch - Parasitische Kapazität und Induktivität von Vias und wie man Vias verwendet

Vias spielen eine wichtige Rolle beim Design von Leiterplatten, jedoch stellen ihre begleitende parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität eine potenzielle Herausforderung dar, die die Gesamtleistung der Schaltung signifikant beeinflussen kann. Besonders im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign sollten diese parasitären Effekte nicht unterschätzt werden, da sie zu erhöhten Signalübertragungsverzögerungen und signifikanten Verschlechterungen der Signalqualität führen können.

Parasitische Eigenschaften von Vias umfassen hauptsächlich parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Die parasitäre Kapazität eines Durchgangs ist die Kapazität zwischen dem Durchgang und der umgebenden Erde, die bei relativ niedrigen Frequenzen nicht signifikant sein darf, aber bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen nicht unterschätzt werden sollte. Darüber hinaus entsteht die parasitäre Induktivität hauptsächlich aus der Struktur und dem Layout der Durchkontaktierungen, insbesondere bei langen Signalleitungen wird der Effekt der parasitären Induktivität offensichtlicher sein.

Im Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign beeinflussen die parasitäre Kapazität und die parasitäre Induktivität der Durchkontaktierungen signifikant die Signalübertragungsleistung. Parasitische Kapazität führt hauptsächlich zu längeren Signalanstiegszeiten, was die Arbeitsgeschwindigkeit des Schaltkreises verringert, während parasitäre Induktivität die Wirksamkeit von Bypass-Schaltungen schwächen kann, was die Filterfunktion des Stromsystems weiter beeinträchtigt.

Der Haupteffekt, den das Vorhandensein parasitärer Kapazität in einem Überloch auf eine Schaltung haben kann, besteht darin, die Anstiegszeit des Signals zu verlängern und die Geschwindigkeit der Schaltung zu verringern. In digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist diese Verzögerung stärker ausgeprägt, wenn die Signalfrequenz steigt (über 1 GHz), wodurch sich die Gesamtschaltungsleistung auswirkt. Die parasitäre Kapazität einer Überbohrung ist mehr als eine einfache elektrische Kennlinie; Seine Anwesenheit bewirkt, dass das Signal verzögert wird, bevor es die Zielkomponente erreicht, und erfordert daher besondere Aufmerksamkeit des Designers.

Parasitische Induktivität wird oft als eine ernstere Auswirkung auf eine Schaltung betrachtet als parasitäre Kapazität. Parasitische Induktivität in einer Überbohrung kann die Bypass-Kondensatoren schwächen und die Filtervorteile des gesamten Stromsystems verringern. Diese Induktivität kann Phasenstörungen und Amplitudenverschlechterung von Signalen verursachen, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitssignalübertragung. Die Länge und Struktur der Vias müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um die negativen Auswirkungen der parasitären Induktivität zu reduzieren.

Nach den Testergebnissen verzögern sich Signale deutlich, wenn sowohl die Vias als auch die No-Vias-Fälle passieren. Zum Beispiel beträgt die Zeit, die erforderlich ist, damit das Signal zum nächsten Prüfpunkt fährt, 458 ps im Fall von keine Durchkontaktierungen, verglichen mit 480 ps mit Durchkontaktierungen, eine Verzögerung von 22 ps, was ein direkter Hinweis auf die parasitäre Wirkung von Durchkontaktierungen ist. Die Schwankung der Anstiegszeit, die durch die parasitäre Kapazität der Vias verursacht wird, wurde quantifiziert, was darauf hindeutet, dass der Designer sie im Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout steuern und optimieren muss.

Parasitische Kapazität und Induktivität von Durchkontaktierungen sind kritische Faktoren, die beim Entwurf von Hochgeschwindigkeitsschaltungen nicht ignoriert werden können. Das richtige Design und Layout können die Signalqualität erheblich verbessern und einen stabilen Schaltungsbetrieb gewährleisten. Im zukünftigen Designprozess ist es wichtig, die Auswirkungen dieser parasitären Parameter und ihre Optimierungsgegenmaßnahmen eingehend zu untersuchen, um die Gesamtfähigkeit des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs kontinuierlich zu verbessern.