Tại Sao Hầu Hết Các Máy Tính Trở Kháng Via Lại Không Chính Xác

Trong những chuyến đi của tôi qua vùng đất LinkedIn, tôi đã thấy mọi người đăng liên kết đến các máy tính toán trở kháng via của họ. Các ứng dụng máy tính luôn tiện lợi để sử dụng cho các ước lượng nhanh về một khía cạnh nào đó của thiết kế, với kích thước stripline và microstrip là phổ biến nhất. Chẳng hạn, tôi giữ một máy tính toán kháng cự hiệu ứng bề mặt trong thanh công cụ của mình để có thể ước lượng nhanh về tổn thất liên quan đến đồng trong các kết nối tốc độ cao/RF.

Vấn đề với mọi máy tính toán trở kháng via mà tôi đã thấy là đơn giản: chúng không đầy đủ hoặc hoàn toàn sai. Phần "không đầy đủ" ám chỉ sự thiếu vắng bối cảnh; những máy tính này có thể tái tạo gần đúng một ước lượng nổi tiếng từ một huyền thoại như Howard Johnson trong sách giáo khoa Thiết kế Kỹ thuật Số của ông. Tuy nhiên, những máy tính này không bao giờ cung cấp cái nhìn sâu sắc vào những gì chúng thực sự đang tính toán, hoặc ở đâu trở kháng via được tính toán là chính xác.

Lý tưởng, bạn sẽ muốn thiết kế để đạt được trở kháng mục tiêu (thường là 50 Ohm) khi bạn có tín hiệu tốc độ cao hoặc RF mà bạn muốn truyền qua một via nhằm giảm thiểu sự phản xạ. Với các tín hiệu tốc độ cao, nơi mà băng thông rất lớn đến mức via xuất hiện rất dài tại tần số Nyquist của tín hiệu, trở kháng của via bây giờ trở nên rất quan trọng. Tuy nhiên, hầu hết các máy tính trở kháng via đều đưa ra kết quả hoàn toàn sai trong các phạm vi tần số này vì chúng không xem xét đến sự truyền sóng dọc theo cấu trúc via. Giá trị mà chúng thực sự cung cấp chỉ hợp lệ ở các tần số rất thấp, đó là nơi bạn không cần phải lo lắng về trở kháng via.

Đọc tiếp để xem tại sao những máy tính này lại sai lầm nghiêm trọng, cũng như ngữ cảnh xung quanh trở kháng via.

*Lưu ý: Một số kết quả từ các sản phẩm mô phỏng của bên thứ ba được hiển thị dưới đây. Những tính toán này được hiển thị chỉ cho mục đích giáo dục. Việc tôi đề cập đến những sản phẩm này dưới đây không cấu thành một sự chấp thuận chính thức từ phía tôi hoặc Altium.

Các Máy Tính Trở Kháng Via Thực Sự Đang Làm Gì

Một máy tính trở kháng via bạn tìm thấy trực tuyến sẽ sử dụng một phép ước lượng đơn giản cho mô hình mạch tụ điện để tính toán trở kháng. Những mô hình này cố gắng xử lý via như một mô hình phần tử tụ điện cho một đường truyền với độ tự cảm và điện dung đã biết. Những giá trị đó sau đó có thể được sử dụng để xác định một trở kháng và độ trễ truyền dẫn cho cấu trúc via.

Một mô hình đơn giản cho trở kháng via thường được sử dụng là mô hình LC. Mô hình này giả định rằng thân via đi qua một antipad duy nhất; điện dung và độ tự cảm sau đó được mô hình hóa dựa trên kích thước của via, các pad trên và dưới, và antipad.

Một mô hình bộ lọc LC có thể được sử dụng để tính toán trở kháng via. Đọc thêm về mô hình này trong bài viết này.

Một điều mà những máy tính via này sẽ cho bạn biết là via 10 mil/pad 20 mil trên các chất nền Dk = 4 có trở kháng khoảng 50 dưới khoảng 1 GHz, miễn là bạn không làm cho antipad quá lớn. Điều đó tất cả đều tốt, nhưng ở những phạm vi tần số đó, trở kháng via thực sự có quan trọng không?

Rất tiếc, kết quả từ mô hình này hoặc các mô hình tương tự có khả năng sẽ không chính xác trong các dải tần số mà ở đó trở kháng của via thực sự quan trọng đối với sự mất mát và phản xạ. Ngay cả khi một trong những máy tính trở kháng via này thực hiện mô hình LC, mô hình đó vẫn không đầy đủ và chỉ có giá trị ở các tần số rất thấp. Lý do rất đơn giản: bạn đang cố gắng sử dụng một mô hình phần tử tập trung để mô tả trở kháng nhìn thấy trong quá trình truyền sóng. Như tôi đã chi tiết trong nhiều bài viết khác, điều này sẽ không bao giờ cho kết quả chính xác.

Thực tế, Via Là Các Bộ Cộng Hưởng

Trong các phạm vi mà via được sử dụng để hỗ trợ tốc độ cao hoặc tần số cao, via và các via may nối gần đó phải được xem như một khoang mà trong đó sóng đang truyền. Tại một số tần số nhất định, tín hiệu được tiêm vào có thể kích thích một số cộng hưởng, sẽ tạo ra một mô hình sóng đứng trong cấu trúc hình trụ, tương tự như những gì bạn sẽ quan sát từ các chế độ không-TEM trong cáp đồng trục.

Rõ ràng, một mô hình LC tập trung đơn giản không thể mô tả được sự truyền sóng. Ngoài sự thật này, còn có một số lý do khác tiết lộ tại sao những mô hình như vậy không chính xác và sẽ không mô tả đúng trở kháng của via.

Làm Thế Nào Để Biết Khi Nào Máy Tính Trở Kháng Via Cho Kết Quả Sai

Có một số điều ngay lập tức cho tôi biết rằng bộ máy tính trực tuyến hiện tại về trở kháng via cho kết quả không chính xác.

Kết quả không phụ thuộc vào tần số. Cấu trúc via giống như các bộ cộng hưởng khác, giống như bất kỳ khoang đóng hoặc bán đóng nào, vì vậy chúng sẽ có một số cộng hưởng ở các tần số khác nhau tương ứng với các chế độ riêng của cấu trúc via bán đồng trục. Ngay cả một via đơn lẻ không có via khâu cũng sẽ có một tập hợp cộng hưởng; những cộng hưởng này chỉ đơn giản là cộng hưởng tán xạ chứ không phải cộng hưởng khoang đóng. Do đó, sẽ có các tần số cụ thể nơi trường điện hoặc trường từ sẽ có giá trị cực đại hoặc cực tiểu, tương ứng, như đã mô tả ở trên.

Một cách để thấy ảnh hưởng của cộng hưởng là trong các tham số S (cả S11 và S21). Đồ thị và hình học chồng lên dưới đây cho thấy một ví dụ về giá trị tham số S cho một thiết kế via nhắm đến ứng dụng 68 GHz. Nếu những máy tính đơn giản này chính xác, chúng ta sẽ có một đường S11 phẳng, chúng ta sẽ không thấy đỉnh truyền dẫn rất mạnh với giá trị Q cao ngay tại 68.2 GHz.

Họ không xem xét việc sử dụng via khâu.Trong phạm vi tần số mà trở kháng của via là quan trọng, việc sử dụng các via ghép nối là cần thiết để đặt trở kháng về giá trị mục tiêu. Hình dạng của các via ghép nối, sự sắp xếp của chúng, và kích thước antipad xung quanh via tín hiệu trung tâm quan trọng hơn nhiều trong việc thiết lập trở kháng so với chỉ hình dạng via tín hiệu. Trở kháng của cấu trúc cũng rất nhạy cảm với sự thay đổi của các tham số này.

Kết quả là trở kháng sẽ thay đổi theo tần số đơn giản chỉ do hình dạng của cấu trúc. Đây là một sự thật cơ bản đối với bất kỳ bộ cộng hưởng hoặc bộ tán xạ nào. Trong trường hợp của một via đơn không có via ghép nối, trở kháng đầu tiên xuất hiện có tính cảm kháng như chúng ta mong đợi, sau đó nó bắt đầu xuất hiện có tính dung kháng khi trở kháng thấp giữa pad/bức tường bên và mặt phẳng chiếm ưu thế.

Bây giờ hãy xem xét điều gì xảy ra khi chúng ta thêm các via ghép nối xung quanh cấu trúc. Một ví dụ về một via đơn kết thúc với các via ghép nối và phản ứng tần số của nó được hiển thị dưới đây. Như chúng ta có thể thấy từ biểu đồ này, trở kháng chỉ ổn định ở giá trị mục tiêu ở các tần số rất thấp, và điều này chỉ duy trì lên đến vài GHz. Sau đó, trở kháng có thể trở nên có tính cảm kháng và sau đó có thể trở nên có tính dung kháng trong phạm vi mmWave.

Thực tế là bất kỳ công cụ tính toán trở kháng via đơn giản nào cũng không thể tính đến sự phụ thuộc vào tần số này nên minh họa rằng kết quả như vậy chỉ hữu ích ở tần số thấp.

Người ta biết rằng các mô hình trở kháng via đơn giản là không đầy đủ. Tôi đề cập đến điều này bởi vì nó được biết đến rằng các mô hình LC đơn giản và các mô hình tương tự là không chính xác, và tuy nhiên tôi vẫn thấy các công cụ tính toán trở kháng via thực hiện các mô hình này như thể chúng luôn luôn chính xác và không có bối cảnh nào được đưa ra.

Nếu bạn đọc sách giáo khoa của Howard Johnson, trong phần ông ta nói về sự truyền tải tín hiệu qua via, bạn sẽ thấy tác giả nêu rõ giới hạn của mô hình LC đối với trở kháng via. Trích dẫn Howard Johnson:

• Trang 342 trong: Howard W. Johnson, và Martin Graham. Truyền tải Tín hiệu Tốc độ Cao: Phép màu Đen Nâng cao. Prentice Hall Professional, 2003.

Nói cách khác, mô hình pi và các biến thể cấp một kém chính xác hơn chỉ có giá trị trong phạm vi mà via điện tử ngắn và sẽ tương đối không thể nhìn thấy bởi tín hiệu đang truyền đi.

Những công cụ tính toán này không cung cấp độ trễ truyền đúng cho via xuyên lỗ. Chúng ta nên mong đợi một via xuyên lỗ trên các bảng mạch có độ dày tiêu chuẩn sẽ có tổng độ trễ truyền dao động từ 10-20 ps, tùy thuộc vào kích thước via và hằng số vật liệu. Các công cụ tính toán trực tuyến đơn giản bạn tìm thấy sẽ nói rằng độ trễ truyền luôn khoảng 10 ps.

Điều này là bởi vì, dọc theo chiều dài của via xuyên lỗ, hằng số điện môi quyết định sự truyền tải tín hiệu là một hằng số điện môi hiệu quả với giá trị khoảng 14 khi Dk = 4. Ngay cả ước lượng ban đầu của Howard Johnson khoảng ~40 ps cũng trông quá lớn và nó sẽ dự đoán một Dk hiệu quả khoảng ~67. Đó là khá lớn. Ngay cả trong các via khác biệt mà không có via may vá xung quanh, hằng số điện môi hiệu quả không bằng giá trị Dk của lớp nền, nó ở mức từ 8 đến 10.

Điểm ở đây là giá trị Dk hiệu quả quyết định hành vi của tín hiệu sẽ lớn hơn giá trị Dk của vật liệu bảng mạch. Các máy tính trực tuyến mà tôi đã thấy không tính đến bất kỳ điều này và chúng sẽ đưa ra kết quả độ trễ truyền sai ở bất cứ đâu trên khoảng 3 GHz.

Đừng Quên: Vias Tốc Độ Cao Là Đối Xứng!

Ngay khi ai đó nói “Tôi cần một máy tính trở kháng via cho tín hiệu tốc độ cao của mình”, họ có lẽ đã quên rằng những tín hiệu tốc độ cao đó hầu như chắc chắn nằm trên một cặp đối xứng, vì vậy điều bạn thực sự cần là một máy tính trở kháng via đối xứng, hoặc chính xác hơn là một máy tính trở kháng via chế độ lẻ. Trở kháng của một cặp via đối xứng không thể được xử lý với một máy tính trở kháng via đơn lẻ trừ khi các vias được cách xa nhau. Đây cũng là lý do chúng ta phải xem xét khoảng cách giữa các đường dẫn trong các cặp đối xứng: hai dẫn điện tương tác với nhau để xác định trở kháng chế độ lẻ (và đối xứng).

Đừng Quên: Tín Hiệu Số Là Dải Rộng!

Hãy nhớ rằng tín hiệu số có băng thông rộng, với nội dung tần số mở rộng xa vào phạm vi mà vias không có phổ trở kháng phẳng. Đối với tín hiệu số có thời gian tăng/giảm rất ngắn, công suất đáng kể có thể được tập trung trong các phạm vi mà trở kháng không ổn định theo tần số.

Kết quả là, các nhà thiết kế số phải định tuyến qua một via (hoặc cặp via vi sai) phải thiết kế vias sao cho sự lệch lạc trong phổ trở kháng lớn hơn nhiều so với giới hạn băng thông. Họ có thể làm điều này chủ yếu bằng một số cách sau:

• Điều chỉnh kích thước anti-pad
• Điều chỉnh kích thước pad
• Điều chỉnh số lượng và kích thước via ghép nối

Kỹ sư vi sóng một lần nữa có lợi thế khi nói đến thiết kế via: họ chỉ cần thiết kế cho một băng thông cụ thể xung quanh tần số mang cho tín hiệu của họ. Tất cả các tần số khác trên một kết nối cụ thể đều không liên quan. Thường được nói rằng vias phải được tránh trên các kết nối RF, nhưng thực tế là chúng thường xuyên cần thiết cho việc phát tín hiệu ra khỏi một kết nối, hoặc để định tuyến vào các mảng ăng ten dày đặc (ví dụ, trong các ứng dụng hình ảnh MIMO độ phân giải cao).

Dựa trên những điểm này, Howard Johnson đến với kết luận giống như tôi đã đến ở đây:

• Trang 343 trong: Howard W. Johnson, và Martin Graham. Truyền tải Tín hiệu Tốc độ Cao: Phép màu Đen Nâng cao. Prentice Hall Professional, 2003.

Công cụ Bên thứ ba cho Tính toán Trở kháng Via

Tính toán trở kháng via trong các phạm vi tần số nơi sự truyền tải rõ ràng không dành cho những người yếu tim. Nếu bạn muốn tính toán một giải pháp chung cho các trường điện và từ trong một cấu trúc via với các via khâu, bạn có thể làm điều đó bằng tay sử dụng các hàm Hankel hình trụ. Tuy nhiên, một khi bạn cố gắng áp dụng các điều kiện biên với các mặt phẳng dẫn mỏng trong khu vực antipad để có được giải pháp cụ thể cho phương trình sóng trong cấu trúc via, kết quả có thể rất phức tạp tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của antipad.

Do đó, đối với nhà thiết kế không phải là fan của những bài tập toán học này, có các công cụ bên ngoài bạn có thể sử dụng để mô phỏng sự truyền tải tín hiệu qua via và trích xuất trở kháng. Một số ví dụ bao gồm:

• Ansys HFSS
• Simbeor
• COMSOL
• Simulia (CST)

Những công cụ này sẽ thực hiện một quy trình số để giải các phương trình Maxwell (thực sự là phương trình sóng) trong cấu trúc via quan tâm. Đầu tiên, hệ thống được rời rạc hóa, và một thuật toán số lặp lại được sử dụng để tính toán các trường điện và từ.

Tất cả những công cụ này có thể cung cấp cho bạn một trở kháng via, và mỗi công cụ đều có những ưu điểm và trường hợp sử dụng riêng. Tôi thích sử dụng Ansys HFSS cho vấn đề này vì thường tôi làm việc này cùng với mô phỏng ăng-ten. Trong các thiết kế RF mà tôi làm việc, mục tiêu cuối cùng không phải là trở kháng via, mà là S11, lợi ích ăng-ten, và mô hình bức xạ. CST có thể cung cấp cho bạn cùng một kết quả, nhưng nó có khả năng xử lý mô hình tốt hơn đối với các bảng mạch đa lớp với antipads khi bạn thực hiện nhập mô hình STEP hoặc Parasolid vào bộ mô phỏng. COMSOL về mặt kỹ thuật có thể làm bất cứ điều gì, nhưng bạn sẽ cần một tiến sĩ trong lĩnh vực điện từ tính toán và hàng giờ đào tạo để tạo ra mô phỏng này.

Nếu tất cả những gì bạn cần xác định là trở kháng via và các tham số S, Simbeor sẽ hoàn thành kết quả mô phỏng nhanh hơn nhiều so với các ứng dụng khác. Nó có một công cụ cụ thể cho vias, mà bạn có thể sử dụng để bao gồm vias khâu và trích xuất các tham số S. Tuy nhiên, có những điều mà các nhà thiết kế RF cần mà không thể thực hiện được trong Simbeor. Hãy cân nhắc kỹ lưỡng tất cả những điểm này trước khi sử dụng một công cụ mô phỏng bên ngoài cho các loại vấn đề thiết kế này, và đảm bảo rằng công cụ mô phỏng của bạn có thể hỗ trợ xuất mô hình từ phần mềm thiết kế PCB của bạn.

Sau khi bạn đã xác nhận thiết kế của mình với máy tính trở kháng via, sử dụng các tính năng bố trí và định tuyến PCB trong Altium Designer® để đặt và định tuyến các tín hiệu tốc độ cao/tần số cao trên PCB của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế, và bạn muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.