Impedancia controlada en presencia de vías y componentes de orificio pasante (PTH)

Tenemos algunas trazas de impedancia controlada en la capa 4 de una placa. La capa 3 es un plano GND. La capa 5 es un plano de 3,3 V. Ambos planos están intactos (ocupan toda la capa), a excepción de las vías y los agujeros.

Hay muchos orificios en esta placa de circuito impreso porque tenemos muchos conectores de orificio pasante. Vea la imagen no tan bonita a continuación:

rastros pasando por agujeros

Los círculos blancos son los agujeros en la PCB. Mi pregunta es, ¿cómo afectan todos estos agujeros a la impedancia de las huellas? ¿Existe una distancia mínima que deba mantenerse desde los orificios para garantizar que la impedancia esté dentro de las tolerancias especificadas (100 ohmios +- %5-10 para líneas diferenciales, por ejemplo)?

Otra pregunta algo similar: considere la imagen a continuación:

trazas sobre planos respectivos

Supongamos que la capa 3, la capa del plano GND ahora se divide en 2, una sección AGND y una DGND. ¿Las trazas que se ejecutan completamente en una capa de un solo plano (como en la imagen) mantienen el valor de impedancia controlado? ¿Existe un límite de cuán cerca pueden llegar a los bordes de los planos antes de comenzar a mostrar desviaciones de la impedancia característica del objetivo?

No tengo tiempo para darle a esto la respuesta que se merece, pero diré una cosa. No ejecute trazados entre diferentes planos de tierra. Esto es malo.
¿Entre planos de tierra? Sí, no hacemos eso. Pero me pregunto cómo las dos situaciones descritas anteriormente afectan la impedancia característica.
@Kortuk: Como dije, NO estamos pasando sobre aviones terrestres. Le agradecería que comentara sobre las otras dos situaciones descritas anteriormente en lugar de preocuparse de que pase por encima de los dos planos :) (El efecto de las almohadillas de orificio pasante y el efecto de las divisiones del plano en el caso de que no estoy cruzando sobre ellos)
"sí, no hacemos eso". Me perdí el no. No se preocupe, el comentario se agregó para el público en general, aunque otros también pueden aprender. Tengo que encontrar mi copia de diseño digital de alta velocidad para darle una respuesta explícita y me mudé recientemente.
Como dice Kortuk, el diseño digital de alta velocidad probablemente ayudaría aquí.
@SomethingBetter, pasé un tiempo con eso, tengo algunas ideas sobre el efecto que tendría, pero realmente necesito hacer algunos modelos computacionales para decirte más de lo que otros ya te han dicho.

Respuestas (3)

Si la altura entre la traza de la señal y el plano de tierra es h , una regla general justa es mantener todas las posibles características perturbadoras al menos a 3 horas de distancia de las trazas. Si puede manejar más separación, eso es aún mejor.

Además, si la longitud de la traza es inferior a 1/10 de la longitud de onda en sus frecuencias de interés, determinada por los tiempos de subida y bajada de sus señales digitales, recuerde que probablemente no importe mucho lo que haga. Esa es una longitud de rastro de 1,4 metros a 10 MHz o 14 cm a 100 MHz. Si su boceto se muestra a través de orificios espaciados a 0,1 pulgadas, parece que su placa tiene menos de 1 pulgada cuadrada y podría salirse con la suya con señales de más de 100 MHz sin preocuparse excesivamente por la impedancia controlada y las terminaciones cuidadosas.

Editar

Esto no quiere decir que deba ignorar por completo las buenas prácticas de diseño y deshacerse de su plano de tierra o ejecutar trazos a través de las ranuras en el plano de tierra, como se indica en los comentarios a continuación. Además, los valores de distancia anteriores (1,4 m y 14 cm) están corregidos de mi respuesta inicial.

Buenas reglas generales, pero esta situación es especial porque hay un plano de tierra y uno de energía, lo que ayudará a minimizar las perturbaciones. Ingenuamente, podría reducir el requisito a 2 h o 1,5 h , pero probablemente sería mejor descartar la regla empírica en situaciones que se desvían significativamente de la norma como esta (la norma es un plano de tierra debajo de la traza, y aire arriba).
Además, la regla de 1/10 de longitud de onda se aplica a la longitud total del conductor. Dado que esta PCB contiene muchos conectores, supongo que es un backplane o una tarjeta de interfaz de algún tipo, por lo que la regla del 1/10 no se aplicaría solo a esta placa, sino a la longitud total de las tarjetas de interfaz y/o cables conectados.
@KevinVermeer, Buenos puntos. Sin embargo, en su primer comentario, una regla de 3 horas aún debería ser "segura", por lo que si no tiene acceso a Hyperlynx o algo similar, parece mejor apegarse a esa regla.
@ThePhoton, hay una historia divertida contada en el diseño digital de alta velocidad de una empresa que siguió la regla de 1/10 de longitud de onda pero no tuvo en cuenta la inductancia y la capacitancia de la línea al diseñar y tampoco usó la terminación. El anillo era tan alto que el acoplamiento de uno a otro podría ser más del 50% de la señal original, y el rebote de la señal en un cambio de estado podría más que duplicar la señal.
@Kortuk, puede estar pensando en una anécdota en Johnson & Graham sobre una empresa que intentó crear un prototipo de una CPU ECL usando envoltura de alambre... ...Olvidé tener en cuenta la constante dieléctrica del material de PCB al calcular las distancias críticas en mi respuesta; Iré a arreglar eso.
@Kortuk, un error más probable que ignorar completamente las L y C es diseñar con una familia lógica con tiempos de subida y bajada mucho más rápidos de lo necesario, y luego calcular la distancia crítica desde la frecuencia del reloj en lugar de los tiempos de subida y bajada. Por otro lado, miles y miles de diseños lógicos discretos, funcionales y muy grandes se desarrollaron alguna vez sin pensar en absoluto en la impedancia o la terminación controladas.
@ThePhoton, estaría de acuerdo en que, a medida que la gente diseña, ese ha sido el error más constante que he visto. Solo conozco a muchos ingenieros que piensan que si están por debajo de las distancias de la línea de transmisión, pueden tratarlo como un cable ideal e ignorar los problemas de inducancia y capacitancia. Normalmente no es muy grande, pero soy fanático de la terminación de fuente en todas partes.
La placa es similar al backplane, pero solo mostré una parte. De hecho, mide más de 300 mm x 300 mm. El rastro más largo que tengo es de unos 250 mm, se supone que alterna a 100 Mhz (LVDS)
@SomethingBetter, a esas velocidades y distancias, ignora lo que dije sobre "puedes salirte con la tuya". Definitivamente está haciendo lo correcto al diseñar cuidadosamente para una impedancia controlada y terminaciones limpias.

La impedancia característica de la traza, ya sea de microstrips o stripline, se determina teniendo en cuenta la geometría/apilado de PCB sin vías. A 3 veces el ancho de trazo requerido calculado, casi todo ( e -3 ) de la señal original se habrá disipado.

La ruta de retorno de la señal es importante para las corrientes de alta velocidad. A altas frecuencias, la corriente sigue el camino de menor inductancia, no menos resistencia, que normalmente es el camino más cercano a la traza de la señal. La densidad de corriente de retorno cae inversamente con 1+(D/H) 2 , en un punto D unidades lejos de la traza de la señal en una capa de retorno H unidades de espesor [1] .

Por lo tanto, se debe prestar atención a la relación D/H además del ancho de la traza W: manténgase alejado de la traza 3xW y 4xH (4,36xH... para una disipación del 95 %).

[1] Véase la ecuación. 5.1, pág. 190, de Diseño digital de alta velocidad por H. Johnson, M. Graham.

Para la primera pregunta, analizaría la placa en HyperLynx o una herramienta de integridad de señal posterior a la ruta similar. Si no tuviera una herramienta de este tipo, mantendría el espacio entre agujeros en 20 mils o 4 veces el ancho del trazo, lo que sea mayor.

Impedancia controlada en presencia de vías y componentes de orificio pasante (PTH)
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