مقدمة: تجربة تصحيح أخطاء محبطة

في العام الماضي، في أحد المشاريع، كان محول تناظري رقمي (ADC) بدقة 16 بت يقوم بالتقاط بيانات المستشعرات. كان الضوضاء المقاسة مرتفعة للغاية، حيث كان نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أقل بحوالي 15 ديسيبل من القيمة النظرية. بعد التحقق من كل شيء، كان تموج مزود الطاقة جيدًا، وكان مصدر الجهد المرجعي مستقرًا، وتمت إضافة مكثفات فصل كافية حول محول ADC. أخيرًا، تم اكتشاف المشكلة في مكان غير ملحوظ - تم استخدام ثقب عبري (via) لخط إشارة الإدخال التناظري، وتم نقله إلى طبقة داخلية.

في ذلك الوقت، كان هذا الثقب العبري على بعد أقل من 3 مم من الثقب العبري لخط الساعة الرقمي. بعد إعادة التصميم، أدى وضع جميع الإشارات التناظرية على الطبقة العلوية على الفور إلى حل المشكلة. كانت هذه التجربة مؤلمة للغاية ومنحتني فهمًا أعمق لموضوع "الثقوب العبرية لخطوط الإشارة التناظرية".

في الواقع، هذه المشكلة شائعة جدًا. لدى العديد من المهندسين مواقف مستقطبة تجاه الثقوب العبرية عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs): إما أنهم يخشون استخدامها، ويرغبون في توجيه جميع المسارات على نفس الطبقة؛ أو يستخدمونها بإهمال، متجاهلين الثقوب العبرية تمامًا. كلا الطرفين يمكن أن يؤدي إلى مشاكل.

ما هو تأثير الثقوب العبرية على الإشارات التناظرية؟

لفهم متى نستخدم الثقوب العبرية ومتى لا نستخدمها، يجب علينا أولاً أن نفهم ما تفعله الثقوب العبرية بالإشارات التناظرية. الثقب العبري ليس مجرد "اتصال سلكي"؛ إنه في الأساس هيكل يحتوي على حث وسعة طفيلية.

يحتوي ثقب عبري بقطر 0.3 مم على حث طفيلي يبلغ حوالي 0.5 ~ 1.2 نانوهن وسعة طفيلية تبلغ 0.3 ~ 0.8 بيكوفاراد. تبدو هذه القيم صغيرة، لكن تأثيرها على الإشارات التناظرية يمكن أن يكون أكبر بكثير مما قد تتخيله.

تأثير الحث الطفيلي
يتفاعل الحث الطفيلي مع السعة في مسار الإشارة لإنشاء تأثير ترشيح LC، مما يؤدي إلى توهين مكونات التردد العالي. هذا التأثير مهم للإشارات التناظرية عالية التردد (مثل الواجهات الأمامية للترددات الراديوية). في تجربتي، عند ترددات أعلى من 500 ميجاهرتز، يمكن أن يصل فقد الإدخال لثقب عبري واحد إلى 0.2 ~ 0.5 ديسيبل.

الأكثر إشكالية هو أن الحث يبطئ حواف الصعود والهبوط للإشارة. بالنسبة للإشارات التناظرية عالية السرعة، يترجم هذا إلى فقدان في عرض النطاق الترددي. بالنسبة لإشارات ساعة أخذ العينات، يؤدي الحافة البطيئة مباشرة إلى تشويش، مما يؤثر على نسبة الإشارة إلى الضوضاء لمحول ADC.

تأثير السعة الطفيلية

السعة الطفيلية أكثر خبثًا. تتشكل السعة بين وسادة الثقب العبري ومستوى المرجع، والتي يتم تطبيقها على خط الإشارة، مما يتسبب في انخفاض في المعاوقة. بالنسبة للعقد ذات المعاوقة العالية (مثل مدخل مضخم العمليات)، تشكل هذه السعة مقسم جهد مع معاوقة المصدر، مما يؤدي إلى توهين الإشارة.

[دراسة حالة] في دائرة قياس دقيقة، تبلغ معاوقة مدخل مضخم العمليات 1 ميجا أوم، وتبلغ السعة الطفيلية للثقب العبري 0.5 بيكوفاراد. عند 100 كيلو هرتز، تبلغ معاوقة المكثف حوالي 3.2 ميجا أوم، والتأثير ليس كبيرًا. ومع ذلك، عند 10 ميجاهرتز، تنخفض معاوقة المكثف إلى 32 كيلو أوم، ويتم توهين الإشارة بمقدار 30 مرة!

تأثير الجذع: فخ مهمل
إذا لم يتم استخدام الثقب العبري بالكامل (على سبيل المثال، من L1 إلى L3، ولكن الثقب العبري يمر عبر اللوحة بأكملها)، يصبح النصف السفلي من الثقب العبري "جذعًا". يعمل هذا الجذع كهوائي، ويرن عند تردد معين.

الصيغة لحساب تردد الرنين هي: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

حيث L هو طول الجذع، و Dk_eff هو ثابت العزل الفعال. يزداد فقد الإدخال بشكل كبير عندما يصل طول الجذع إلى ربع الطول الموجي. بالنسبة للوحة قياسية سمكها 1.6 مم بأربع طبقات، يبلغ تردد رنين الجذع حوالي 10 ~ 15 جيجاهرتز. ومع ذلك، إذا كانت اللوحة أسمك أو كان الجذع أطول، فسيكون تردد الرنين أقل، مما يؤثر على إشارات التناظرية عالية التردد.

【تحذير】 تأثير الجذع ليس خطيًا. تتدهور جودة الإشارة بشكل كبير بالقرب من تردد الرنين. إذا صادف أن تردد إشارتك التناظرية يقع بالقرب من نقطة الرنين، يمكن أن تكون العواقب وخيمة.

مسار العودة معطل

هذا هو أكبر خطر خفي لثقوب الإشارات التناظرية العبرية. عندما يتغير مستوى الإشارة، يتغير تيار العودة أيضًا. إذا تغيرت الإشارة من L1 إلى L3، فإن تيار العودة، الذي كان يتدفق في الأصل على مستوى الأرض في L2، يحتاج الآن إلى إيجاد مسار للعودة إلى مستوى الأرض المقابل في L3.

بدون ثقوب أرضية مطابقة، يضطر تيار العودة إلى اتخاذ مسار أطول، مكونًا حلقة تيار كبيرة. تعمل هذه الحلقة كهوائي، تبث وتستقبل التداخل. بالنسبة للإشارات التناظرية الضعيفة، هذا قاتل.

متى يمكنك استخدام الثقوب العبرية؟

بعد مناقشة العديد من المخاطر، هل هذا يعني أن الإشارات التناظرية لا يمكنها استخدام الثقوب العبرية على الإطلاق؟ ليس بالضرورة. في بعض الحالات، يكون استخدام الثقوب العبرية معقولًا، بل ضروريًا.

يمكن استخدام الثقوب العبرية للإشارات التناظرية منخفضة التردد.

الإشارات التناظرية بترددات أقل من 10 ميجاهرتز ليست حساسة جدًا للمعلمات الطفيلية للثقوب العبرية. يمكن استخدام إشارات الصوت العادية، والتحيز المستمر، وإشارات الاستشعار منخفضة السرعة بأمان للثقوب العبرية لتبديل الطبقات. فقط كن حذرًا من استخدام الكثير منها.

شخصيًا، أعتقد أن تأثير الثقوب العبرية على إشارات التيار المستمر ومنخفض التردد لا يكاد يذكر. ما لم تكن إشارتك ضعيفة للغاية (في نطاق الميكروفولت)، فلا تقلق كثيرًا.

يجب استخدام ثقوب عبرية لخطوط الطاقة والأرضي.

استخدام الثقوب العبرية لخطوط الطاقة والأرضي ضروري، ويجب استخدام الكثير منها. تتطلب شبكات توزيع الطاقة (PDNs) مسارات ذات معاوقة منخفضة، ويعد حث الثقوب العبرية عنق زجاجة. يقل الحث المكافئ مع التوصيلات المتوازية.

【توصية】 بالنسبة لثقوب الطاقة، يوصى بما لا يقل عن 2-3 ثقوب لكل 1 أمبير تيار. هناك حاجة إلى المزيد من الثقوب للتطبيقات عالية التيار (مثل مدخلات وحدات الطاقة)؛ لا تبخل في المساحة.

يمكن استخدام الزيارات عندما يكون هناك مسار عودة مطابق.

إذا تم وضع ثقب أرضي بجوار ثقب إشارة، وكان الثقب الأرضي قريبًا جدًا من ثقب الإشارة (مثاليًا أقل من 100 ميل)، فإن مسار العودة مكتمل. في هذه الحالة، يتم تقليل تأثير الثقوب العبرية على الإشارات التناظرية بشكل كبير.

على وجه التحديد، في كل مرة يتغير فيها ثقب إشارة طبقة، ضع ثقبًا أرضيًا بجواره لتوصيل مستويات الأرض للطبقات القديمة والجديدة. بالنسبة للإشارات التفاضلية، من الأفضل وضع ثقب أرضي بين ثقبين للإشارة.

يمكن استخدام الثقوب العمياء/المدفونة.

تصل الثقوب العمياء طبقة خارجية فقط بطبقة داخلية، وتصل الثقوب المدفونة طبقة داخلية فقط؛ معلماتهم الطفيلية أصغر بكثير من معلمات الثقوب العبرية الكاملة. والأهم من ذلك، أن الثقوب العمياء والمدفونة لا تنشئ جذوعًا طويلة، مما يجعلها أكثر صداقة للإشارات عالية التردد.

إذا سمحت التكلفة، يجب تفضيل الثقوب العمياء أو المدفونة للدوائر التناظرية عالية الدقة وعالية التردد. خاصة بالنسبة لمحولات ADC بدقة 24 بت وما فوق ودوائر الترددات الراديوية جيجاهرتز، فإن الثقوب العمياء والمدفونة هي المعيار تقريبًا.

متى يجب ألا تستخدم الثقوب العبرية؟

في بعض الحالات، من الأفضل تجنب الثقوب العبرية لخطوط الإشارة التناظرية، أو توخي الحذر الشديد.

تتطلب الإشارات التناظرية عالية الدقة الحذر.

بالنسبة لمحولات ADC/DAC بدقة 16 بت وما فوق، أو الأنظمة التي تتجاوز فيها متطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء 80 ديسيبل، يجب أن يكون مسار الإشارة التناظري نظيفًا قدر الإمكان. يمكن أن تؤدي المعلمات الطفيلية التي تقدمها الثقوب العبرية إلى زيادة أخطاء التكميم وتدهور INL/DNL.

[مثال] تم تصميم نظام استحواذ بيانات بدقة 24 بت بنسبة إشارة إلى ضوضاء نظرية تبلغ 112 ديسيبل. أظهر الاختبار الفعلي 95 ديسيبل فقط. بعد التحقيق، تبين أن خطوط الإدخال التناظرية تحتوي على ثقوب عبرية، وأن نقطة رنين الجذع وقعت تمامًا على حافة عرض نطاق الإشارة. بعد تغيير التوجيه إلى نفس الطبقة، تحسنت نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى 108 ديسيبل.

توخ الحذر مع الإشارات التناظرية عالية التردد.

بالنسبة للإشارات التناظرية التي تتجاوز 100 ميجاهرتز (الترددات الراديوية، الساعة عالية السرعة)، يمكن أن يصبح الحث الطفيلي للثقوب العبرية عنق زجاجة. ستتدهور حواف الإشارة، وستظهر انقطاعات في المعاوقة، مما يؤدي إلى انعكاسات.

بالنسبة لتبديل طبقات إشارة الترددات الراديوية، من الأفضل استخدام هياكل ثقوب عبرية مصممة خصيصًا، جنبًا إلى جنب مع تحسين الوسادات المضادة وسياج الثقوب الأرضية. مجرد وضع ثقوب عبرية عادية مباشرة سيؤدي إلى VSWR ضعيف.

لا تضع الثقوب العبرية تحت مناطق تناظرية حساسة.

تجنب وضع الثقوب العبرية غير ذات الصلة بالقرب من الدوائر الحساسة مثل المذبذبات البلورية، وحلقات قفل الطور، ومصادر الجهد المرجعي، وعقد الإدخال ذات المعاوقة العالية. يمكن للثقوب العبرية تعطيل سلامة مستوى الأرض و "توجيه" الضوضاء من الطبقات الأخرى.

【ملاحظة】 خاصة بالنسبة لثقوب الإشارات الرقمية، لا تمر أبدًا عبر مناطق الدوائر التناظرية. يمكن أن تتداخل الضوضاء عالية التردد من الإشارات الرقمية مع الخطوط التناظرية من خلال السعة الطفيلية للثقوب العبرية. في تجربتي، يجب أن تكون الثقوب الرقمية على بعد 10 مم على الأقل من الدوائر التناظرية الحساسة.

توخ الحذر عندما يكون مستوى الأرض متقطعًا.

إذا كانت الثقوب العبرية مكدسة بكثافة، مما يخلق نافذة كبيرة (وسادة مضادة) على مستوى الأرض، فإن استمرارية مستوى الأرض تتعطل. يُجبر تيار العودة على الالتفاف، مكونًا هوائي حلقة.

هذه المشكلة شديدة بشكل خاص في لوحات الدوائر المطبوعة المختلطة الإشارة. إذا تم قطع مستوى الأرض التناظري بواسطة ثقوب عبرية، يمكن أن تتسلل الضوضاء الرقمية إلى المنطقة التناظرية عبر مسارات الاقتران.

اعتبارات التصميم العملية

بعد فهم المبادئ والحدود، كيف يجب أن نتقدم في التصميم الفعلي؟ إليك بعض النصائح الشخصية:

خطط لاستراتيجية التوجيه الخاصة بك لتقليل تغييرات الطبقة.

أفضل الثقوب العبرية هي تلك التي لم يتم حفرها. أثناء مرحلة التنسيب، حدد مسار التوجيه بوضوح، وحاول التأكد من اكتمال الإشارات التناظرية الهامة على نفس الطبقة. إذا كان تغيير الطبقة ضروريًا للغاية، فقم بإعطاء الأولوية لتغييره بالقرب من دبابيس الشريحة، وتجنب حفر الثقوب العبرية فجأة في منتصف المسار.

تحسين معلمات الثقوب العبرية

إذا كانت الثقوب العبرية ضرورية، فقم بتحسينها إلى أقصى حد:

• أصغر قطر للثقب العبري:0.2 مم أو أقل، مما يؤدي إلى معلمات طفيلية أقل.
• قم بتكبير الوسادات المضادة بشكل مناسب:المعيار هو 10 ميل، يمكن زيادة الإشارات عالية السرعة إلى 20 ~ 30 ميل.
• يجب ألا تكون الوسادات كبيرة جدًا:الوسادات الكبيرة جدًا تزيد من السعة الطفيلية وتشغل مساحة.

مطابقة ثقوب العودة

لكل ثقب إشارة عبري، ضع في اعتبارك مسار العودة. إذا تغيرت الإشارة من L1 إلى L3، وكان مستوى الأرض في L2، فيجب وضع ثقب أرضي بجوار ثقب الإشارة لتوصيل مستويات الأرض في L2 و L3.

يجب أن يكون الثقب الأرضي قريبًا قدر الإمكان من ثقب الإشارة؛ في حدود 100 ميل هو نطاق آمن. في حدود 50 ميل أفضل.

فصل وعزل التناظرية والرقمية

بالنسبة للوحات الدوائر المطبوعة المختلطة الإشارة، يجب عزل المناطق التناظرية والرقمية ماديًا. يجب أيضًا فصل الثقوب العبرية، مع ثقوب تناظرية في المنطقة التناظرية وثقوب رقمية في المنطقة الرقمية. لا تدع الثقوب الرقمية "تعبر" المنطقة التناظرية.

إذا كانت هناك أجهزة مختلطة الإشارة مثل محولات ADC/DAC، فضع الثقوب العبرية بالقرب من الأجهزة لمنع الإشارات التناظرية من السفر لمسافات طويلة عبر المنطقة الرقمية.

التحقق من المحاكاة:

بالنسبة للتصميمات عالية السرعة وعالية الدقة، لا تعتمد فقط على الخبرة. استخدم أدوات محاكاة SI للتحقق من المعاوقة والانعكاس وفقد الإدخال للثقوب العبرية. خاصة نقطة رنين الجذع؛ ستكشف المحاكاة عنها على الفور.

توضيح المفاهيم الخاطئة الشائعة:

• "عدد أقل من الثقوب العبرية أفضل"

— ليس صحيحًا تمامًا. يجب بالفعل أن تكون ثقوب الإشارات أقل، ولكن يجب أن تكون ثقوب الطاقة والأرضي أكثر عددًا. المفتاح هو التعامل معها بشكل مختلف.

• "يجب فصل الأرضي التناظري عن الأرضي الرقمي"

— ليس مطلقًا. غالبًا ما تستفيد الأنظمة البسيطة من مستوى أرضي موحد. تتطلب الأنظمة المعقدة الفصل، وحتى في هذه الحالة، تكون الاتصالات أحادية النقطة ضرورية.

• "الثقوب العمياء باهظة الثمن وغير ضرورية"

— يعتمد على التطبيق. بالنسبة لمحولات ADC بدقة 24 بت وترددات الراديو جيجاهرتز، تعد الثقوب العمياء استثمارًا جديرًا بالاهتمام. بالنسبة للتطبيقات العادية، فهي غير ضرورية بالفعل.

ملخص:

هل يمكن لخطوط الإشارة التناظرية استخدام الثقوب العبرية؟ الإجابة هي: يعتمد ذلك. الترددات المنخفضة ليست حساسة، لذلك يمكن استخدام الثقوب العبرية؛ الدقة العالية تتطلب الحذر، لذا تجنب الثقوب العبرية إن أمكن؛ الترددات العالية تتطلب معالجة خاصة، وإذا تم استخدامها، فيجب تحسين المعلمات. المبادئ الأساسية هي:

• تجنب الثقوب العبرية إن أمكن؛

خطط لاستراتيجية التوجيه الخاصة بك جيدًا لتقليل تغييرات الطبقة.

• إذا كان لا بد من استخدام الثقوب العبرية، فاستخدمها جيدًا؛

قم بتحسين قطر الثقب العبري، والوسادات المضادة، واستخدم ثقوب عودة مطابقة.

• تحويل الإشارات الحساسة؛

قم بتوجيه الإشارات التناظرية عالية الدقة وعالية التردد إلى الطبقة العلوية لتجنب الجذوع.

• فصل الإشارات التناظرية والرقمية؛

لا تعبر المناطق بالثقوب العبرية لتجنب اقتران الضوضاء.

• المحاكاة والتحقق؛

لا تعتمد فقط على الخبرة للتصميمات عالية السرعة وعالية الدقة.

على الرغم من أن الثقوب العبرية صغيرة، إلا أن هناك الكثير لنتعلمه. افهم المبادئ، وامسك بالحدود، ولن تصبح الثقوب العبرية للإشارات التناظرية فخاخًا في تصميماتك. آمل أن تكون هذه التجربة مفيدة.