परिचय: एक निराशाजनक डीबगिंग अनुभव

पिछले साल, एक प्रोजेक्ट में, एक 16-बिट ADC सेंसर डेटा प्राप्त कर रहा था। मापा गया शोर बहुत अधिक था, SNR सैद्धांतिक मान से लगभग 15dB कम था। सब कुछ जांचने के बाद, बिजली आपूर्ति रिपल ठीक थी, संदर्भ वोल्टेज स्रोत स्थिर था, और ADC के चारों ओर पर्याप्त डिकपलिंग कैपेसिटर जोड़े गए थे। अंत में, समस्या एक अगोचर जगह पर पाई गई - एक वाया का उपयोग एनालॉग इनपुट सिग्नल लाइन के लिए किया गया था, और इसे एक आंतरिक परत पर ले जाया गया था।

उस समय, वह वाया डिजिटल क्लॉक ट्रेस के वाया से 3 मिमी से कम दूरी पर थी। रीडिजाइन के बाद, सभी एनालॉग सिग्नल को टॉप लेयर पर रखने से तुरंत समस्या हल हो गई। यह अनुभव काफी दर्दनाक था और इसने मुझे "एनालॉग सिग्नल लाइन वाया" के विषय की गहरी समझ दी।

वास्तव में, यह समस्या काफी आम है। पीसीबी डिजाइन करते समय कई इंजीनियरों का वाया के प्रति ध्रुवीकृत रवैया होता है: या तो वे उनका उपयोग करने से डरते हैं, सभी ट्रेस को एक ही परत पर रूट करना चाहते हैं; या वे उन्हें लापरवाही से उपयोग करते हैं, वाया को पूरी तरह से नजरअंदाज करते हैं। दोनों चरम समस्याएं पैदा कर सकते हैं।

एनालॉग सिग्नल पर वाया का क्या प्रभाव पड़ता है?

यह समझने के लिए कि वाया का उपयोग कब करना है और कब नहीं, हमें पहले यह समझना होगा कि वाया एनालॉग सिग्नल के साथ क्या करते हैं। एक वाया सिर्फ एक "वायर कनेक्शन" नहीं है; यह अनिवार्य रूप से परजीवी इंडक्टेंस और कैपेसिटेंस वाली एक संरचना है।

0.3 मिमी व्यास वाले थ्रू-होल में लगभग 0.5 ~ 1.2nH का परजीवी इंडक्टेंस और 0.3 ~ 0.8pF का परजीवी कैपेसिटेंस होता है। ये मान छोटे लगते हैं, लेकिन एनालॉग सिग्नल पर इनका प्रभाव आपकी कल्पना से कहीं अधिक हो सकता है।

परजीवी इंडक्टेंस का प्रभाव
परजीवी इंडक्टेंस सिग्नल पथ में कैपेसिटेंस के साथ इंटरैक्ट करके एलसी फिल्टरिंग प्रभाव पैदा करता है, जिससे उच्च-आवृत्ति घटकों का क्षीणन होता है। यह प्रभाव उच्च-आवृत्ति एनालॉग सिग्नल (जैसे आरएफ फ्रंट-एंड) के लिए महत्वपूर्ण है। मेरे अनुभव में, 500 मेगाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों पर, एक एकल वाया का सम्मिलन हानि 0.2 ~ 0.5dB तक पहुंच सकता है।

अधिक समस्याग्रस्त यह है कि इंडक्टेंस सिग्नल के उदय और गिरावट किनारों को धीमा कर देता है। उच्च-गति एनालॉग सिग्नल के लिए, यह बैंडविड्थ हानि में तब्दील हो जाता है। सैंपलिंग क्लॉक सिग्नल के लिए, एक धीमा किनारा सीधे जिटर का परिचय देता है, जो ADC के SNR को प्रभावित करता है।

परजीवी कैपेसिटेंस का प्रभाव

परजीवी कैपेसिटेंस अधिक कपटी है। वाया पैड और संदर्भ प्लेन के बीच कैपेसिटेंस बनता है, जो सिग्नल लाइन पर लागू होता है, जिससे प्रतिबाधा में गिरावट आती है। उच्च-प्रतिबाधा नोड्स (जैसे ऑप-एम्प इनपुट) के लिए, यह कैपेसिटेंस स्रोत प्रतिबाधा के साथ एक वोल्टेज डिवाइडर बनाता है, जिससे सिग्नल क्षीणन होता है।

[केस स्टडी] एक सटीक माप सर्किट में, ऑप-एम्प इनपुट प्रतिबाधा 1MΩ है, और वाया परजीवी कैपेसिटेंस 0.5pF है। 100kHz पर, कैपेसिटर प्रतिबाधा लगभग 3.2MΩ है, और प्रभाव महत्वपूर्ण नहीं है। हालांकि, 10MHz पर, कैपेसिटर प्रतिबाधा 32kΩ तक गिर जाती है, और सिग्नल 30 गुना क्षीण हो जाता है!

स्टब प्रभाव: एक उपेक्षित गड्ढा
यदि वाया का पूरी तरह से उपयोग नहीं किया जाता है (उदाहरण के लिए, L1 से L3 तक, लेकिन वाया पूरे बोर्ड से होकर गुजरता है), तो वाया का निचला आधा हिस्सा एक "स्टब" बन जाता है। यह स्टब एक एंटीना की तरह काम करता है, जो एक विशिष्ट आवृत्ति पर अनुनाद करता है।

अनुनाद आवृत्ति की गणना का सूत्र है: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

जहां L स्टब की लंबाई है, और Dk_eff प्रभावी ढांकता हुआ स्थिरांक है। जब स्टब की लंबाई एक चौथाई तरंग दैर्ध्य तक पहुंच जाती है तो सम्मिलन हानि नाटकीय रूप से बढ़ जाती है। एक मानक 1.6 मिमी मोटी चार-परत बोर्ड के लिए, स्टब अनुनाद आवृत्ति लगभग 10 ~ 15GHz है। हालांकि, यदि बोर्ड मोटा है या स्टब लंबा है, तो अनुनाद आवृत्ति कम होगी, जो उच्च आवृत्ति एनालॉग सिग्नल को प्रभावित करेगी।

【चेतावनी】स्टब का प्रभाव रैखिक नहीं होता है। अनुनाद आवृत्ति के पास सिग्नल की गुणवत्ता नाटकीय रूप से खराब हो जाती है। यदि आपकी एनालॉग सिग्नल आवृत्ति अनुनाद बिंदु के पास आती है, तो परिणाम गंभीर हो सकते हैं।

वापसी पथ बाधित

यह एनालॉग सिग्नल वाया का सबसे बड़ा छिपा हुआ खतरा है। जब कोई सिग्नल परतें बदलता है, तो वापसी धारा भी परतें बदलती है। यदि सिग्नल L1 से L3 में बदलता है, तो वापसी धारा, जो मूल रूप से L2 के ग्राउंड प्लेन पर बह रही थी, अब L3 के संबंधित ग्राउंड प्लेन पर वापस जाने के लिए एक पथ खोजना होगा।

मिलान ग्राउंडिंग वाया के बिना, वापसी धारा को एक लंबा मार्ग लेना पड़ता है, जिससे एक बड़ा वर्तमान लूप बनता है। यह लूप एक एंटीना की तरह काम करता है, जो हस्तक्षेप को प्रसारित और प्राप्त दोनों करता है। कमजोर एनालॉग सिग्नल के लिए, यह घातक है।

वाया का उपयोग कब किया जा सकता है?

इतने सारे जोखिमों पर चर्चा करने के बाद, क्या इसका मतलब यह है कि एनालॉग सिग्नल बिल्कुल भी वाया का उपयोग नहीं कर सकते? जरूरी नहीं। कुछ मामलों में, वाया का उपयोग करना उचित है, यहां तक ​​कि आवश्यक भी है।

कम-आवृत्ति एनालॉग सिग्नल वाया का उपयोग कर सकते हैं।

10 मेगाहर्ट्ज से नीचे की आवृत्तियों वाले एनालॉग सिग्नल वाया के परजीवी मापदंडों के प्रति बहुत संवेदनशील नहीं होते हैं। सामान्य ऑडियो सिग्नल, डीसी बायस और कम-गति संवेदन सिग्नल सुरक्षित रूप से परत स्विचिंग के लिए वाया का उपयोग कर सकते हैं। बस बहुत अधिक उपयोग न करने का ध्यान रखें।

व्यक्तिगत रूप से, मुझे लगता है कि डीसी और कम-आवृत्ति सिग्नल पर वाया का प्रभाव नगण्य है। जब तक आपका सिग्नल अत्यंत कमजोर (माइक्रोवोल्ट रेंज में) न हो, तब तक बहुत अधिक चिंता न करें।

बिजली और ग्राउंड लाइनें वाया का उपयोग करना चाहिए।

बिजली और ग्राउंड लाइनों के लिए वाया का उपयोग आवश्यक है, और आपको कई का उपयोग करना चाहिए। पावर डिस्ट्रीब्यूशन नेटवर्क (PDNs) को कम-प्रतिबाधा पथ की आवश्यकता होती है, और वाया इंडक्टेंस एक बाधा है। समतुल्य इंडक्टेंस समानांतर कनेक्शन के साथ घटता है।

【सिफारिश】बिजली वाया के लिए, 1A करंट के लिए कम से कम 2-3 वाया की सिफारिश की जाती है। उच्च-वर्तमान अनुप्रयोगों (जैसे, पावर मॉड्यूल इनपुट) के लिए अधिक वाया की आवश्यकता होती है; जगह पर कंजूसी न करें।

मिलान वापसी पथ मौजूद होने पर वाया का उपयोग किया जा सकता है।

यदि एक ग्राउंड वाया एक सिग्नल वाया के बगल में स्थित है, और ग्राउंड वाया सिग्नल वाया के बहुत करीब है (आदर्श रूप से 100mil से कम), तो वापसी पथ पूरा हो जाता है। इस मामले में, एनालॉग सिग्नल पर वाया का प्रभाव बहुत कम हो जाता है।

विशेष रूप से, हर बार जब कोई सिग्नल वाया परत बदलता है, तो इसे जोड़ने के लिए इसके बगल में एक ग्राउंड वाया रखें। अंतर सिग्नल के लिए, दो सिग्नल वाया के बीच एक ग्राउंड वाया रखना बेहतर होता है।

ब्लाइंड वाया/दफन वाया का उपयोग किया जा सकता है।

ब्लाइंड वाया केवल एक बाहरी परत को एक आंतरिक परत से जोड़ते हैं, और दफन वाया केवल एक आंतरिक परत को जोड़ते हैं; उनके परजीवी पैरामीटर थ्रू-होल वाया की तुलना में बहुत छोटे होते हैं। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि ब्लाइंड और दफन वाया लंबे स्टब नहीं बनाते हैं, जिससे वे उच्च-आवृत्ति सिग्नल के लिए बहुत अधिक अनुकूल होते हैं।

यदि लागत अनुमति देती है, तो उच्च-सटीकता और उच्च-आवृत्ति एनालॉग सर्किट के लिए ब्लाइंड या दफन वाया को प्राथमिकता दी जानी चाहिए। विशेष रूप से 24-बिट और उससे ऊपर के ADC और गीगाहर्ट्ज-स्तर के आरएफ सर्किट के लिए, ब्लाइंड और दफन वाया लगभग मानक हैं।

वाया का उपयोग कब नहीं करना चाहिए?

कुछ मामलों में, एनालॉग सिग्नल लाइनों के लिए वाया से बचना सबसे अच्छा है, या अत्यंत सतर्क रहना चाहिए।

उच्च-सटीकता एनालॉग सिग्नल के लिए सावधानी की आवश्यकता होती है।

16-बिट और उससे ऊपर के ADC/DAC, या 80dB से अधिक सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात की आवश्यकता वाले सिस्टम के लिए, एनालॉग सिग्नल पथ यथासंभव स्वच्छ होना चाहिए। वाया द्वारा पेश किए गए परजीवी पैरामीटर मात्राकरण त्रुटियों में वृद्धि और INL/DNL के क्षरण का कारण बन सकते हैं।

[उदाहरण] एक 24-बिट डेटा अधिग्रहण प्रणाली को 112dB के सैद्धांतिक SNR के साथ डिजाइन किया गया था। वास्तविक परीक्षण में केवल 95dB दिखाया गया। जांच के बाद, यह पाया गया कि एनालॉग इनपुट लाइनों में वाया थे, और स्टब अनुनाद बिंदु सिग्नल बैंडविड्थ के किनारे पर गिर गया था। रूटिंग को एक ही परत पर बदलने के बाद, SNR 108dB तक सुधर गया।

उच्च-आवृत्ति एनालॉग सिग्नल के साथ सावधानी बरतें।

100 मेगाहर्ट्ज (आरएफ, हाई-स्पीड क्लॉक) से अधिक के एनालॉग सिग्नल के लिए, वाया का परजीवी इंडक्टेंस एक बाधा बन सकता है। सिग्नल के किनारे खराब हो जाएंगे, प्रतिबाधा असंतोष दिखाई देगा, जिससे प्रतिबिंब होंगे।

आरएफ सिग्नल परत स्विचिंग के लिए, विशेष रूप से डिजाइन किए गए वाया संरचनाओं का उपयोग करना सबसे अच्छा है, जिसमें एंटी-पैड अनुकूलन और ग्राउंड वाया फेंसिंग शामिल है। बस साधारण वाया को सीधे रखने से खराब VSWR होगा।

संवेदनशील एनालॉग क्षेत्रों के नीचे वाया न रखें।

संवेदनशील सर्किट जैसे क्रिस्टल ऑसिलेटर, फेज-लॉक्ड लूप, संदर्भ वोल्टेज स्रोत और उच्च-प्रतिबाधा इनपुट नोड्स के पास असंबंधित वाया रखने से बचें। वाया ग्राउंड प्लेन की अखंडता को बाधित कर सकते हैं और अन्य परतों से शोर को "मार्गदर्शन" कर सकते हैं।

【नोट】विशेष रूप से डिजिटल सिग्नल वाया के लिए, कभी भी एनालॉग सर्किट क्षेत्रों से न गुजरें। डिजिटल सिग्नल से उच्च-आवृत्ति शोर वाया की परजीवी क्षमता के माध्यम से एनालॉग लाइनों से युग्मित हो सकता है। मेरे अनुभव में, डिजिटल वाया संवेदनशील एनालॉग सर्किट से कम से कम 10 मिमी दूर होने चाहिए।

जब ग्राउंड प्लेन बाधित हो तो सावधानी बरतें।

यदि वाया सघन रूप से पैक किए जाते हैं, जिससे ग्राउंड प्लेन पर एक बड़ी खिड़की (एंटी-पैड) बनती है, तो ग्राउंड प्लेन की निरंतरता बाधित हो जाती है। वापसी धारा को चक्कर लगाने के लिए मजबूर किया जाता है, जिससे एक लूप एंटीना बनता है।

यह समस्या मिश्रित-सिग्नल पीसीबी पर विशेष रूप से गंभीर है। यदि एनालॉग ग्राउंड प्लेन वाया द्वारा बाधित होता है, तो डिजिटल शोर युग्मन पथों के माध्यम से एनालॉग क्षेत्र में घुस सकता है।

व्यावहारिक डिजाइन विचार

सिद्धांतों और सीमा शर्तों को समझने के बाद, हमें वास्तविक डिजाइन में कैसे आगे बढ़ना चाहिए? यहां कुछ व्यक्तिगत सुझाव दिए गए हैं:

परत परिवर्तन को कम करने के लिए अपनी रूटिंग रणनीति की योजना बनाएं।

सर्वश्रेष्ठ वाया वे हैं जो ड्रिल नहीं किए जाते हैं। प्लेसमेंट चरण के दौरान, रूटिंग पथ को स्पष्ट रूप से परिभाषित करें, और सुनिश्चित करें कि महत्वपूर्ण एनालॉग सिग्नल एक ही परत पर पूरे हों। यदि परत परिवर्तन बिल्कुल आवश्यक है, तो चिप पिन के पास इसे बदलने को प्राथमिकता दें, और ट्रेस के बीच में अचानक वाया ड्रिल करने से बचें।

वाया पैरामीटर को अनुकूलित करें

यदि वाया आवश्यक हैं, तो उन्हें चरम तक अनुकूलित करें:

• सबसे छोटा वाया व्यास:0.2 मिमी या उससे कम, जिसके परिणामस्वरूप कम परजीवी पैरामीटर होते हैं।
• उचित रूप से एंटी-पैड का विस्तार करें:मानक 10mil है, उच्च-गति सिग्नल को 20 ~ 30mil तक बढ़ाया जा सकता है।
• पैड बहुत बड़े नहीं होने चाहिए:अत्यधिक बड़े पैड परजीवी कैपेसिटेंस बढ़ाते हैं और जगह लेते हैं।

मिलान वापसी वाया

प्रत्येक सिग्नल वाया के लिए, वापसी पथ पर विचार करें। यदि सिग्नल L1 से L3 में बदलता है, और ग्राउंड प्लेन L2 पर है, तो L2 और L3 के ग्राउंड को जोड़ने के लिए सिग्नल वाया के बगल में एक ग्राउंड वाया रखा जाना चाहिए।

ग्राउंड वाया सिग्नल वाया के जितना संभव हो उतना करीब होना चाहिए; 100mil के भीतर एक सुरक्षित सीमा है। 50mil के भीतर और भी बेहतर है।

एनालॉग-डिजिटल पृथक्करण और अलगाव

मिश्रित-सिग्नल पीसीबी के लिए, एनालॉग और डिजिटल क्षेत्रों को भौतिक रूप से अलग किया जाना चाहिए। वाया को भी अलग किया जाना चाहिए, जिसमें एनालॉग क्षेत्र में एनालॉग वाया और डिजिटल क्षेत्र में डिजिटल वाया हों। डिजिटल वाया को एनालॉग क्षेत्र को "पार" न करने दें।

यदि मिश्रित-सिग्नल डिवाइस जैसे ADC/DAC मौजूद हैं, तो एनालॉग सिग्नल को डिजिटल क्षेत्र से लंबी दूरी तय करने से रोकने के लिए उपकरणों के पास वाया रखें।

सिमुलेशन सत्यापन:

उच्च-गति, उच्च-सटीकता डिजाइन के लिए, केवल अनुभव पर भरोसा न करें। प्रतिबाधा, प्रतिबिंब और वाया के सम्मिलन हानि की जांच के लिए SI सिमुलेशन टूल का उपयोग करें। विशेष रूप से स्टब अनुनाद बिंदु; सिमुलेशन इसे तुरंत प्रकट करेगा।

सामान्य गलतफहमी स्पष्ट की गई:

• "कम वाया बेहतर हैं"

—पूरी तरह सच नहीं है। सिग्नल वाया वास्तव में कम होने चाहिए, लेकिन बिजली और ग्राउंड वाया अधिक संख्या में होने चाहिए। मुख्य बात यह है कि उन्हें अलग-अलग माना जाए।

• "एनालॉग ग्राउंड को डिजिटल ग्राउंड से अलग किया जाना चाहिए"

—पूर्ण रूप से नहीं। सरल प्रणालियों को अक्सर एकीकृत ग्राउंड प्लेन से लाभ होता है। जटिल प्रणालियों को अलगाव की आवश्यकता होती है, और तब भी, एकल-बिंदु कनेक्शन आवश्यक होते हैं।

• "ब्लाइंड वाया बहुत महंगे और अनावश्यक हैं"

—यह आवेदन पर निर्भर करता है। 24-बिट ADC और गीगाहर्ट्ज आरएफ के लिए, ब्लाइंड वाया एक सार्थक निवेश हैं। सामान्य अनुप्रयोगों के लिए, वे वास्तव में अनावश्यक हैं।

सारांश:

क्या एनालॉग सिग्नल लाइनें वाया का उपयोग कर सकती हैं? उत्तर है: यह निर्भर करता है। कम आवृत्तियां संवेदनशील नहीं होती हैं, इसलिए वाया का उपयोग किया जा सकता है; उच्च सटीकता के लिए सावधानी की आवश्यकता होती है, इसलिए यदि संभव हो तो वाया से बचें; उच्च आवृत्तियों के लिए विशेष हैंडलिंग की आवश्यकता होती है, और यदि उपयोग किया जाता है, तो मापदंडों को अनुकूलित किया जाना चाहिए। मुख्य सिद्धांत हैं:

• यदि संभव हो तो वाया से बचें;

परत परिवर्तन को कम करने के लिए अपनी रूटिंग रणनीति की अच्छी योजना बनाएं।

• यदि आपको वाया का उपयोग करना ही है, तो उनका अच्छी तरह से उपयोग करें;

वाया व्यास, एंटी-पैड को अनुकूलित करें, और मिलान वापसी वाया का उपयोग करें।

• संवेदनशील सिग्नल को चक्कर लगवाएं;

स्टब से बचने के लिए उच्च-सटीकता, उच्च-आवृत्ति एनालॉग सिग्नल को टॉप लेयर पर रूट करें।

• एनालॉग और डिजिटल सिग्नल को विभाजित करें;

शोर युग्मन से बचने के लिए वाया के साथ क्षेत्रों को पार न करें।

• सिमुलेट और सत्यापित करें;

उच्च-गति, उच्च-सटीकता डिजाइन के लिए केवल अनुभव पर भरोसा न करें।

हालांकि वाया छोटे होते हैं, सीखने के लिए बहुत कुछ है। सिद्धांतों को समझें, सीमाओं को समझें, और एनालॉग सिग्नल वाया आपके डिजाइन में गड्ढे नहीं बनेंगे। मुझे उम्मीद है कि यह अनुभव सहायक होगा।