Pendahuluan: Pengalaman Debugging yang Membuat Frustrasi

Tahun lalu, dalam sebuah proyek, ADC 16-bit sedang mengakuisisi data sensor. Derau yang terukur sangat tinggi, dengan SNR hampir 15dB lebih rendah dari nilai teoritis. Setelah memeriksa semuanya, riak catu daya baik-baik saja, sumber tegangan referensi stabil, dan kapasitor decoupling yang cukup ditambahkan di sekitar ADC. Akhirnya, masalah ditemukan di tempat yang tidak mencolok—sebuah via digunakan untuk jalur sinyal input analog, dan dipindahkan ke lapisan dalam.

Saat itu, via tersebut berjarak kurang dari 3mm dari via jejak clock digital. Setelah didesain ulang, menempatkan semua sinyal analog di lapisan atas segera menyelesaikan masalah. Pengalaman ini cukup menyakitkan dan memberi saya pemahaman yang lebih dalam tentang topik "via jalur sinyal analog."

Faktanya, masalah ini cukup umum. Banyak insinyur memiliki sikap terpolarisasi terhadap via saat mendesain PCB: baik mereka takut menggunakannya, ingin merutekan semua jejak pada lapisan yang sama; atau mereka menggunakannya dengan sembarangan, sepenuhnya mengabaikan via. Kedua ekstrem dapat menyebabkan masalah.

Apa dampak via pada sinyal analog?

Untuk memahami kapan harus menggunakan via dan kapan tidak, kita harus terlebih dahulu memahami apa yang dilakukan via pada sinyal analog. Via bukan sekadar "koneksi kawat"; ia pada dasarnya adalah struktur dengan induktansi dan kapasitansi parasit.

Melalui lubang berdiameter 0,3mm memiliki induktansi parasit sekitar 0,5~1,2nH dan kapasitansi parasit 0,3~0,8pF. Nilai-nilai ini ​​terlihat kecil, tetapi dampaknya pada sinyal analog bisa jauh lebih besar daripada yang Anda bayangkan.

Dampak Induktansi Parasit
Induktansi parasit berinteraksi dengan kapasitansi di jalur sinyal untuk menciptakan efek penyaringan LC, yang menyebabkan pelemahan komponen frekuensi tinggi. Efek ini signifikan untuk sinyal analog frekuensi tinggi (seperti front-end RF). Berdasarkan pengalaman saya, pada frekuensi di atas 500MHz, kerugian penyisipan satu via dapat mencapai 0,2~0,5dB.

Yang lebih bermasalah adalah induktansi memperlambat tepi naik dan turun sinyal. Untuk sinyal analog berkecepatan tinggi, ini berarti hilangnya bandwidth. Untuk sinyal clock sampling, tepi yang melambat secara langsung menimbulkan jitter, memengaruhi SNR ADC.

Dampak Kapasitansi Parasit

Kapasitansi parasit lebih berbahaya. Kapasitansi terbentuk antara pad via dan bidang referensi, yang diterapkan pada jalur sinyal, menyebabkan penurunan impedansi. Untuk node impedansi tinggi (seperti input op-amp), kapasitansi ini membentuk pembagi tegangan dengan impedansi sumber, yang menyebabkan pelemahan sinyal.

[Studi Kasus] Dalam sirkuit pengukuran presisi, impedansi input op-amp adalah 1MΩ, dan kapasitansi parasit via adalah 0,5pF. Pada 100kHz, impedansi kapasitor kira-kira 3,2MΩ, dan efeknya tidak signifikan. Namun, pada 10MHz, impedansi kapasitor turun menjadi 32kΩ, dan sinyal dilemahkan 30 kali!

Efek Stub: Jebakan yang Terabaikan
Jika via tidak dimanfaatkan sepenuhnya (misalnya, dari L1 ke L3, tetapi via berjalan di seluruh papan), separuh bagian bawah via menjadi "stub." Stub ini bertindak seperti antena, beresonansi pada frekuensi tertentu.

Rumus untuk menghitung frekuensi resonansi adalah: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Di mana L adalah panjang stub, dan Dk_eff adalah konstanta dielektrik efektif. Kerugian penyisipan meningkat secara dramatis ketika panjang stub mencapai seperempat panjang gelombang. Untuk papan empat lapis standar setebal 1,6mm, frekuensi resonansi stub kira-kira 10~15GHz. Namun, jika papan lebih tebal atau stub lebih panjang, frekuensi resonansi akan lebih rendah, memengaruhi sinyal analog frekuensi lebih tinggi.

【Peringatan】Efek stub tidak linier. Kualitas sinyal menurun drastis di dekat frekuensi resonansi. Jika frekuensi sinyal analog Anda kebetulan jatuh di dekat titik resonansi, konsekuensinya bisa parah.

Jalur Kembali Terganggu

Ini adalah bahaya tersembunyi terbesar dari via sinyal analog. Ketika sinyal berpindah lapisan, arus kembali juga berpindah lapisan. Jika sinyal berpindah dari L1 ke L3, arus kembali, yang awalnya mengalir di bidang ground L2, sekarang perlu mencari jalur kembali ke bidang ground yang sesuai di L3.

Tanpa via ground yang cocok, arus kembali harus menempuh rute yang lebih panjang, membentuk loop arus yang besar. Loop ini bertindak seperti antena, baik memancarkan maupun menerima interferensi. Untuk sinyal analog yang lemah, ini fatal.

Kapan Anda bisa menggunakan via?

Setelah membahas begitu banyak risiko, apakah ini berarti sinyal analog tidak bisa menggunakan via sama sekali? Belum tentu. Dalam beberapa kasus, menggunakan via masuk akal, bahkan perlu.

Sinyal analog frekuensi rendah dapat menggunakan via.

Sinyal analog dengan frekuensi di bawah 10MHz tidak terlalu sensitif terhadap parameter parasit via. Sinyal audio biasa, bias DC, dan sinyal penginderaan berkecepatan rendah dapat dengan aman menggunakan via untuk perpindahan lapisan. Hati-hati jangan sampai terlalu banyak menggunakannya.

Secara pribadi, saya pikir dampak via pada sinyal DC dan frekuensi rendah dapat diabaikan. Kecuali sinyal Anda sangat lemah (dalam kisaran mikrovolt), jangan terlalu khawatir.

Jalur daya dan ground harus menggunakan via.

Menggunakan via untuk jalur daya dan ground diperlukan, dan Anda harus menggunakan banyak. Jaringan Distribusi Daya (PDN) memerlukan jalur impedansi rendah, dan induktansi via adalah hambatan. Induktansi ekuivalen menurun dengan koneksi paralel.

【Rekomendasi】Untuk via daya, setidaknya 2-3 via direkomendasikan untuk arus 1A. Lebih banyak via diperlukan untuk aplikasi arus tinggi (misalnya, input modul daya); jangan pelit ruang.

Via dapat digunakan ketika ada jalur kembali yang cocok.

Jika via ground terletak di sebelah via sinyal, dan via ground sangat dekat dengan via sinyal (idealnya kurang dari 100mil), jalur kembali lengkap. Dalam kasus ini, dampak via pada sinyal analog sangat berkurang.

Secara khusus, setiap kali via sinyal berpindah lapisan, tempatkan via ground di sebelahnya untuk menghubungkan bidang ground dari lapisan lama dan baru. Untuk sinyal diferensial, lebih baik menempatkan via ground di antara dua via sinyal.

Via buta/via terkubur dapat digunakan.

Via buta hanya menghubungkan lapisan luar ke lapisan dalam, dan via terkubur hanya menghubungkan lapisan dalam; parameter parasitnya jauh lebih kecil daripada via melalui lubang. Yang lebih penting, via buta dan terkubur tidak menciptakan stub panjang, membuatnya jauh lebih ramah untuk sinyal frekuensi tinggi.

Jika biaya memungkinkan, via buta atau terkubur harus lebih disukai untuk sirkuit analog presisi tinggi dan frekuensi tinggi. Terutama untuk ADC 24-bit ke atas dan sirkuit RF tingkat GHz, via buta dan terkubur hampir standar.

Kapan Anda seharusnya tidak menggunakan via?

Dalam beberapa kasus, sebaiknya hindari via untuk jalur sinyal analog, atau sangat berhati-hati.

Sinyal analog presisi tinggi memerlukan kehati-hatian.

Untuk ADC/DAC 16-bit ke atas, atau sistem dengan persyaratan rasio sinyal terhadap derau melebihi 80dB, jalur sinyal analog harus sebersih mungkin. Parameter parasit yang diperkenalkan oleh via dapat menyebabkan peningkatan kesalahan kuantisasi dan penurunan INL/DNL.

[Contoh] Sistem akuisisi data 24-bit dirancang dengan SNR teoritis 112dB. Pengujian aktual menunjukkan hanya 95dB. Setelah diselidiki, ditemukan bahwa jalur input analog memiliki via, dan titik resonansi stub jatuh tepat di tepi bandwidth sinyal. Setelah mengubah perutean ke lapisan yang sama, SNR meningkat menjadi 108dB.

Berhati-hatilah dengan sinyal analog frekuensi tinggi.

Untuk sinyal analog di atas 100MHz (RF, clock berkecepatan tinggi), induktansi parasit via dapat menjadi hambatan. Tepi sinyal akan menurun, diskontinuitas impedansi akan muncul, yang menyebabkan pantulan.

Untuk perpindahan lapisan sinyal RF, sebaiknya gunakan struktur via yang dirancang khusus, dikombinasikan dengan optimasi anti-pad dan pagar via ground. Hanya menempatkan via biasa secara langsung akan menghasilkan VSWR yang buruk.

Jangan menempatkan via di bawah area analog sensitif.

Hindari menempatkan via yang tidak terkait di dekat sirkuit sensitif seperti osilator kristal, loop terkunci fasa, sumber tegangan referensi, dan node input impedansi tinggi. Via dapat mengganggu integritas bidang ground dan "memandu" derau dari lapisan lain.

【Catatan】Terutama untuk via sinyal digital, jangan pernah melewati area sirkuit analog. Derau frekuensi tinggi dari sinyal digital dapat terhubung ke jalur analog melalui kapasitansi parasit via. Berdasarkan pengalaman saya, via digital harus berjarak setidaknya 10mm dari sirkuit analog sensitif.

Berhati-hatilah ketika bidang ground terganggu.

Jika via padat, menciptakan jendela besar (anti-pad) pada bidang ground, kontinuitas bidang ground terganggu. Arus kembali dipaksa untuk memutar, membentuk antena loop.

Masalah ini sangat parah pada PCB sinyal campuran. Jika bidang ground analog terganggu oleh via, derau digital dapat masuk ke area analog melalui jalur kopling.

Pertimbangan Desain Praktis

Setelah memahami prinsip dan kondisi batas, bagaimana kita harus melanjutkan dalam desain aktual? Berikut adalah beberapa tips pribadi:

Rencanakan strategi perutean Anda untuk meminimalkan perubahan lapisan.

Via terbaik adalah yang tidak dibor. Selama fase penempatan, definisikan jalur perutean dengan jelas, dan cobalah untuk memastikan bahwa sinyal analog kritis diselesaikan pada lapisan yang sama. Jika perubahan lapisan benar-benar diperlukan, prioritaskan mengubahnya di dekat pin chip, dan hindari mengebor via secara tiba-tiba di tengah jejak.

Optimalkan Parameter Via

Jika via diperlukan, optimalkan hingga ekstrem:

• Diameter via terkecil:0,2mm atau lebih kecil, menghasilkan parameter parasit yang lebih rendah.
• Perbesar anti-pad dengan tepat:Standar adalah 10mil, sinyal berkecepatan tinggi dapat diperbesar hingga 20~30mil.
• Pad tidak boleh terlalu besar:Pad yang terlalu besar meningkatkan kapasitansi parasit dan memakan ruang.

Via Kembali yang Cocok

Untuk setiap via sinyal, pertimbangkan jalur kembali. Jika sinyal berpindah dari L1 ke L3, dan bidang ground ada di L2, maka via ground harus ditempatkan di sebelah via sinyal untuk menghubungkan ground L2 dan L3.

Via ground harus sedekat mungkin dengan via sinyal; dalam jarak 100mil adalah kisaran aman. Dalam jarak 50mil bahkan lebih baik.

Pemisahan dan Isolasi Analog-Digital

Untuk PCB sinyal campuran, area analog dan digital harus dipisahkan secara fisik. Via juga harus dipisahkan, dengan via analog di area analog dan via digital di area digital. Jangan biarkan via digital "melintasi" area analog.

Jika ada perangkat sinyal campuran seperti ADC/DAC, tempatkan via di dekat perangkat untuk mencegah sinyal analog berjalan jarak jauh melalui area digital.

Verifikasi Simulasi:

Untuk desain berkecepatan tinggi dan presisi tinggi, jangan hanya mengandalkan pengalaman. Gunakan alat simulasi SI untuk memeriksa impedansi, pantulan, dan kerugian penyisipan via. Terutama titik resonansi stub; simulasi akan segera mengungkapkannya.

Kesalahpahaman Umum Diklarifikasi:

• "Lebih sedikit via lebih baik"

—Tidak sepenuhnya benar. Via sinyal memang harus lebih sedikit, tetapi via daya dan ground harus lebih banyak. Kuncinya adalah memperlakukannya secara berbeda.

• "Ground analog harus dipisahkan dari ground digital"

—Tidak mutlak. Sistem sederhana sering mendapat manfaat dari bidang ground yang menyatu. Sistem yang kompleks memerlukan pemisahan, dan bahkan kemudian, koneksi titik tunggal diperlukan.

• "Via buta terlalu mahal dan tidak perlu"

—Tergantung pada aplikasinya. Untuk ADC 24-bit dan RF GHz, via buta adalah investasi yang berharga. Untuk aplikasi biasa, memang tidak perlu.

Ringkasan:

Bisakah jalur sinyal analog menggunakan via? Jawabannya adalah: Tergantung. Frekuensi rendah tidak sensitif, jadi via dapat digunakan; presisi tinggi memerlukan kehati-hatian, jadi hindari via jika memungkinkan; frekuensi tinggi memerlukan penanganan khusus, dan jika digunakan, parameter harus dioptimalkan. Prinsip intinya adalah:

• Hindari via jika memungkinkan;

Rencanakan strategi perutean Anda dengan baik untuk mengurangi perubahan lapisan.

• Jika Anda harus menggunakan via, gunakan dengan baik;

Optimalkan diameter via, anti-pad, dan gunakan via kembali yang cocok.

• Lewati sinyal sensitif;

Rutekan sinyal analog presisi tinggi dan frekuensi tinggi ke lapisan atas untuk menghindari stub.

• Pisahkan sinyal analog dan digital;

Jangan melintasi zona dengan via untuk menghindari kopling derau.

• Simulasikan dan verifikasi;

Jangan hanya mengandalkan pengalaman untuk desain berkecepatan tinggi dan presisi tinggi.

Meskipun via kecil, ada banyak hal yang bisa dipelajari. Pahami prinsipnya, kuasai batasannya, dan via sinyal analog tidak akan menjadi jebakan dalam desain Anda. Saya harap pengalaman ini bermanfaat.