Vliv via otvorů na přenos signálu

Protože v posledních letech stále významně rostou požadavky na rychlý přenos dat, navrhují vývojáři desky plošných spojů, na kterých se vyskytují multi-Gbps signály. Pokročilé návrhy pamětí se zaměřují na data s více než 10 Gbps, zatímco SERDES standard se posouvá směrem k 25–28 Gbps. Změny v rychlosti signálů kladou na návrh desky nové požadavky, které zde dosud nikdy nebyly. Plošné spoje přenášející rychlé signály představují problémy v podobě výrazných dielektrických ztrát nebo přerušené kontinuity impedance, které mohou být opomenuty při nižších rychlostech signálů.

Pro typický SERDES kanál (obr. 1) přichází změna impedance z via otvorů na signálních vrstvách, konektorů pro vzájemné propojení více desek a pouzder součástek. Z toho všeho může návrhář desky ovlivnit pouze provedení via otvorů.

Obr. 1 Cesta signálu od čipu k čipu (červeně)

Podívejme se na jeden via otvor v běžném rozložení vrstev desky. Když má digitální signál, který jde přes via otvor, nižší rychlost (přesněji řečeno delší dobu náběhu a sestupu), nemá via otvor žádný vliv. Když má ale signál strmější hrany (náběh–sestup kolem 100 ps), via otvor způsobuje již pozorovatelné zpoždění a degradaci průběhu signálu (obr. 2). To je typický efekt způsobený změnou impedance z pohledu integrity signálu (SI) ve 3D struktuře.

Obr. 2a Jednoduchá topologie spoje s via otvorem

Obr. 2b, 2c Vliv via otvoru může být ignorován u nižších rychlostí signálu (vlevo), na rozdíl od rychlých signálů s přenosem dat v Gbps rozsahu (vpravo)

Při analýze kanálu jsou v cestě diferenciálních signálů via otvory. Ty způsobují degradaci signálu podle toho, jak jsou nastaveny. Nejdůležitější je zbytek via otvoru nazývaný „stub“. Při určitých kmitočtech mohou dlouhé zbytky úplně přerušit přenos signálu. Obr. 3 ukazuje dvojici via otvorů diferenciálních signálů na 16vrstvé desce. Porovnává S-parametry daného nastavení via otvorů, které mají, nebo nemají nevyužité zbytky otvoru. Je zřejmé, že zbytky via otvorů vytváří nežádoucí rezonanční špičky, v tomto případě kolem 8 GHz. Při těchto kmitočtech nemohou být složky signálu daného spektra přenášeny. Kvůli tomu lze v případě u via otvorů s nevyužitými zbytky otvoru pozorovat v konečném bodě přenosu signálu malé rozevření v diagramu oka.

Obr. 3a Porovnání S-parametrů s/bez (růžová a červená / žlutá a bílá) via „stubs“

Obr. 3b Porovnání diagramů oka s/bez (vlevo/vpravo) via „stubs“

Když si představíme, že diferenční signály při použití via otvoru normálně začínají na jedné vrstvě desky a končí na jiné vrstvě, potom via plošky na jiných vrstvách nemají žádné použití. Tyto nevyužité plošky mohou také působit problémy s integritou signálu. Obr. 4 ukazuje výsledky dvojice via otvorů, které prochází 26vrstvou deskou. Pokud návrhář ponechá všechny nefunkční plošky via otvorů, může při nižších kmitočtech očekávat významné rezonanční špičky. Odstranění těchto nepoužitých plošek pomůže posunout rezonanční špičky k vyšším kmitočtům a tím zlepšit přenos signálu. Tato metoda návrhu desky je užitečná, pokud není praktické odstranit dlouhé zbytky via otvorů (stubs) odvrtáním nepotřebné části via otvoru z druhé strany desky (back-drilling).

Obr. 4 Porovnání S-parametrů s/bez (fialová/červená) nepoužitých plošek

Via otvor je použit, když signál na desce přechází z jedné vrstvy desky na jinou. Zpětná cesta signálu bude přerušena, když dojde k jeho přechodu mezi vrstvami. Výsledkem je ovlivnění impedance plošného spoje. Aby nedošlo u via otvoru k odrazu způsobenému změnou impedance (přerušením kontinuity), jsou v návrhu desky s multi-Gbps doporučeny tzv. stitching (vícenásobné zemnicí) via otvory – ty zajistí zpětnou cestu proudu signálů. Protože tyto extra via otvory zabírají na desce místo, potřebují návrháři vědět, kdy jsou opravdu nezbytné a kdy se bez nich daný návrh obejde. Simulace a správné vyhodnocení vlivu stitching via otvorů pomůže při rozhodování, jak pokračovat. Na obr. 5 jsou výsledky konfigurace via otvoru s/bez stitching via otvorů a změny vzdálenosti od signálních via otvorů. Návrháři si mohou všimnout, že stitching via otvory potřebují být umístěny blíže k signálním via otvorům. Pokud danému návrhu nevadí ztráta 0,5 dB kvůli přerušení kontinuity via otvoru, potom nejsou stitching via otvory potřeba.

Obr. 5 Dvojice via otvorů diferenciálních spojů s 2 stitching via otvory (vlevo), vpravo porovnání ztráty použitím S-parametrů (žlutá – stitching via otvory jsou umístěny blízko, fialová – stitching via otvory umístěné daleko, zelená – bez stitching via otvorů)

Když je prostor pro tažení plošných spojů omezen, potřebuje návrhář také vědět přesný počet potřebných stitching via otvorů. Výběr závisí na frekvenčním rozsahu, se kterým návrhář pracuje. Obr. 6 ukazuje vliv různého počtu stitching via otvorů. U 6vrstvé desky není počet rozhodující asi až do 14 GHz, zatímco rozdíl ztráty při 20 GHz je 0,3 dB podle toho, jestli jsou u via otvoru umístěny 4 stitching via otvory, nebo jen 1. I tady platí, že by měl návrhář vybrat správný počet stitching via otvorů v závislosti na možném šumu nebo možné toleranci návrhu.

Obr. 6 Porovnání ztráty po různém počtu stitching via otvorů (4 – žlutá, 2 – červená, 1 – bílá, 0 – zelená)

Až doposud jsme se zabývali chováním jednoho nebo dvojice via otvorů. Via otvory mohou také způsobit šum vzájemnou vazbou s plošným spojem signálu skrze mezery v napájecích plochách, pokud dva signální via otvory jdou skrze stejný pár napájecích vrstev. Podívejme se na příklad na obr. 7. Testovaný přenosový kanál přenáší signál PCI Express. Na desce je rovněž položeno několik spojů signálů DDR2. I když DDR signály jsou daleko od kanálu PCI Express (aby nedošlo ke vzájemné vazbě plošných spojů), via otvory použité u obou signálů prostupují skrze stejné měděné vrstvy. Když DQ net u DDR sběrnice mění svůj stav, šum je generován v mezerách vylité vrstvy a šíří se směrem k via otvorům PCI Express kanálu, kde se zachytí. To potom ovlivní diagram oka na připojeném konci. Rozevření v tomto diagramu je způsobeno šumem vzniklým vzájemnou vazbou.

Obr. 7a Příklad použitý pro simulaci na obr. 7b a 7c

Obr. 7b Šum 86 mV na měděné vrstvě vyvolaný vazbou mezi via otvory, když signál DQ mění svůj stav

Obr. 7c Porovnání diagramů oka a průběhy v časové doméně (modrá – bez přeslechů via otvorů, červená – přeslechy via otvorů)

Vliv via otvorů na přenášený signál způsobený ztrátou kontinuity může způsobit výraznou degradaci v diagramu u multi-Gbps kanálu. Dříve zastávaný názor, který ignoroval tyto vlivy nebo nabádal k použití jednoduchých modelů pro jejich odhad, není již dnes akceptovatelný. Návrháři desek musí správně chápat vliv via otvorů na kvalitu přenášeného signálu. 3D modelování a nástroje pro SI analýzy pomohou při rozhodování, jak návrh desky upravit.

www.mentor.com