Introduction : Une expérience de débogage frustrante

L'année dernière, dans un projet, un CAN 16 bits acquérait des données de capteur. Le bruit mesuré était extrêmement élevé, avec un SNR près de 15 dB inférieur à la valeur théorique. Après avoir tout vérifié, l'ondulation de l'alimentation était correcte, la source de tension de référence était stable et des condensateurs de découplage suffisants étaient ajoutés autour du CAN. Finalement, le problème a été découvert dans un endroit discret : un via était utilisé pour la ligne de signal d'entrée analogique, et il a été déplacé vers une couche interne.

À l'époque, ce via était à moins de 3 mm du via de la trace d'horloge numérique. Après refonte, le placement de tous les signaux analogiques sur la couche supérieure a immédiatement résolu le problème. Cette expérience a été assez douloureuse et m'a donné une compréhension plus approfondie du sujet des "vias de ligne de signal analogique".

En fait, ce problème est assez courant. De nombreux ingénieurs ont des attitudes polarisées envers les vias lors de la conception de PCB : soit ils ont peur de les utiliser, voulant router toutes les traces sur la même couche ; soit ils les utilisent négligemment, ignorant complètement les vias. Les deux extrêmes peuvent entraîner des problèmes.

Quel impact les vias ont-ils sur les signaux analogiques ?

Pour comprendre quand utiliser les vias et quand ne pas les utiliser, nous devons d'abord comprendre ce que les vias font aux signaux analogiques. Un via n'est pas simplement une "connexion filaire" ; c'est essentiellement une structure avec une inductance et une capacité parasites.

Un trou traversant de 0,3 mm de diamètre a une inductance parasite d'environ 0,5 à 1,2 nH et une capacité parasite de 0,3 à 0,8 pF. Ces valeurs semblent petites, mais leur impact sur les signaux analogiques peut être beaucoup plus important que vous ne pourriez l'imaginer.

L'impact de l'inductance parasite
L'inductance parasite interagit avec la capacité dans le chemin du signal pour créer un effet de filtrage LC, entraînant une atténuation des composantes haute fréquence. Cet effet est significatif pour les signaux analogiques haute fréquence (tels que les front-ends RF). D'après mon expérience, à des fréquences supérieures à 500 MHz, la perte d'insertion d'un seul via peut atteindre 0,2 à 0,5 dB.

Plus problématique, l'inductance ralentit les fronts montant et descendant du signal. Pour les signaux analogiques à haute vitesse, cela se traduit par une perte de bande passante. Pour les signaux d'horloge d'échantillonnage, un front ralenti introduit directement du jitter, affectant le SNR du CAN.

L'impact de la capacité parasite

La capacité parasite est plus insidieuse. Une capacité se forme entre le pad du via et le plan de référence, qui est appliquée à la ligne de signal, provoquant une chute d'impédance. Pour les nœuds à haute impédance (tels que l'entrée de l'ampli op), cette capacité forme un diviseur de tension avec l'impédance de la source, entraînant une atténuation du signal.

[Étude de cas] Dans un circuit de mesure de précision, l'impédance d'entrée de l'ampli op est de 1 MΩ, et la capacité parasite du via est de 0,5 pF. À 100 kHz, l'impédance du condensateur est d'environ 3,2 MΩ, et l'effet n'est pas significatif. Cependant, à 10 MHz, l'impédance du condensateur tombe à 32 kΩ, et le signal est atténué de 30 fois !

Effet de stub : un piège négligé
Si un via n'est pas entièrement utilisé (par exemple, de L1 à L3, mais que le via traverse toute la carte), la moitié inférieure du via devient un "stub". Ce stub agit comme une antenne, résonnant à une fréquence spécifique.

La formule pour calculer la fréquence de résonance est : f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Où L est la longueur du stub, et Dk_eff est la constante diélectrique effective. La perte d'insertion augmente considérablement lorsque la longueur du stub atteint un quart de longueur d'onde. Pour une carte standard de 1,6 mm d'épaisseur à quatre couches, la fréquence de résonance du stub est d'environ 10 à 15 GHz. Cependant, si la carte est plus épaisse ou si le stub est plus long, la fréquence de résonance sera plus basse, affectant les signaux analogiques de plus haute fréquence.

【Avertissement】L'effet du stub n'est pas linéaire. La qualité du signal se détériore considérablement près de la fréquence de résonance. Si la fréquence de votre signal analogique tombe par hasard près du point de résonance, les conséquences peuvent être graves.

Chemin de retour perturbé

C'est le plus grand danger caché des vias de signaux analogiques. Lorsqu'un signal change de couche, le courant de retour change également de couche. Si le signal passe de L1 à L3, le courant de retour, qui circulait à l'origine sur le plan de masse de L2, doit maintenant trouver un chemin pour revenir au plan de masse correspondant de L3.

Sans vias de masse correspondants, le courant de retour doit emprunter un chemin plus long, formant une grande boucle de courant. Cette boucle agit comme une antenne, transmettant et recevant des interférences. Pour les signaux analogiques faibles, c'est fatal.

Quand peut-on utiliser des vias ?

Ayant discuté de tant de risques, cela signifie-t-il que les signaux analogiques ne peuvent pas du tout utiliser de vias ? Pas nécessairement. Dans certains cas, l'utilisation de vias est raisonnable, voire nécessaire.

Les signaux analogiques basse fréquence peuvent utiliser des vias.

Les signaux analogiques dont la fréquence est inférieure à 10 MHz ne sont pas très sensibles aux paramètres parasites des vias. Les signaux audio ordinaires, les biais DC et les signaux de détection à basse vitesse peuvent utiliser en toute sécurité des vias pour le changement de couche. Faites juste attention à ne pas en utiliser trop.

Personnellement, je pense que l'impact des vias sur les signaux DC et basse fréquence est négligeable. À moins que votre signal ne soit extrêmement faible (dans la gamme des microvolts), ne vous inquiétez pas trop.

Les lignes d'alimentation et de masse doivent utiliser des vias.

L'utilisation de vias pour les lignes d'alimentation et de masse est nécessaire, et vous devriez en utiliser beaucoup. Les réseaux de distribution d'alimentation (PDN) nécessitent des chemins à faible impédance, et l'inductance des vias est un goulot d'étranglement. L'inductance équivalente diminue avec les connexions parallèles.

【Recommandation】Pour les vias d'alimentation, au moins 2 à 3 vias sont recommandés pour 1A de courant. Plus de vias sont nécessaires pour les applications à courant élevé (par exemple, les entrées de modules d'alimentation) ; n'économisez pas sur l'espace.

Les vias peuvent être utilisés lorsqu'un chemin de retour correspondant existe.

Si un via de masse est situé à côté d'un via de signal, et que le via de masse est très proche du via de signal (idéalement moins de 100 mil), le chemin de retour est complet. Dans ce cas, l'impact des vias sur les signaux analogiques est grandement réduit.

Plus précisément, chaque fois qu'un via de signal change de couche, placez un via de masse à côté pour connecter les plans de masse des anciennes et nouvelles couches. Pour les signaux différentiels, il est préférable de placer un via de masse entre deux vias de signal.

Les vias aveugles/enterrés peuvent être utilisés.

Les vias aveugles ne connectent qu'une couche externe à une couche interne, et les vias enterrés ne connectent qu'une couche interne ; leurs paramètres parasites sont beaucoup plus petits que ceux des vias traversants. Plus important encore, les vias aveugles et enterrés ne créent pas de longs stubs, ce qui les rend beaucoup plus conviviaux pour les signaux haute fréquence.

Si le coût le permet, les vias aveugles ou enterrés devraient être préférés pour les circuits analogiques haute précision et haute fréquence. Surtout pour les CAN 24 bits et plus et les circuits RF GHz, les vias aveugles et enterrés sont presque standard.

Quand ne pas utiliser de vias ?

Dans certains cas, il est préférable d'éviter les vias pour les lignes de signaux analogiques, ou d'être extrêmement prudent.

Les signaux analogiques de haute précision nécessitent de la prudence.

Pour les CAN/CNA 16 bits et plus, ou les systèmes avec une exigence de rapport signal sur bruit supérieure à 80 dB, le chemin du signal analogique doit être aussi propre que possible. Les paramètres parasites introduits par les vias peuvent entraîner une augmentation des erreurs de quantification et une détérioration de l'INL/DNL.

[Exemple] Un système d'acquisition de données 24 bits a été conçu avec un SNR théorique de 112 dB. Les tests réels n'ont montré que 95 dB. Après enquête, il s'est avéré que les lignes d'entrée analogiques avaient des vias, et que le point de résonance du stub tombait juste au bord de la bande passante du signal. Après avoir modifié le routage sur la même couche, le SNR s'est amélioré à 108 dB.

Soyez prudent avec les signaux analogiques haute fréquence.

Pour les signaux analogiques dépassant 100 MHz (RF, horloge à haute vitesse), l'inductance parasite des vias peut devenir un goulot d'étranglement. Les fronts de signal seront dégradés, des discontinuités d'impédance apparaîtront, entraînant des réflexions.

Pour le changement de couche des signaux RF, il est préférable d'utiliser des structures de via spécialement conçues, combinées à une optimisation des anti-pads et à un blindage de vias de masse. Le simple placement de vias ordinaires directement entraînera un mauvais VSWR.

Ne placez pas de vias sous les zones analogiques sensibles.

Évitez de placer des vias non liés à proximité de circuits sensibles tels que les oscillateurs à quartz, les boucles à verrouillage de phase, les sources de tension de référence et les nœuds d'entrée à haute impédance. Les vias peuvent perturber l'intégrité du plan de masse et "guider" le bruit d'autres couches.

【Note】En particulier pour les vias de signaux numériques, ne traversez jamais les zones de circuits analogiques. Le bruit haute fréquence des signaux numériques peut se coupler aux lignes analogiques par la capacité parasite des vias. D'après mon expérience, les vias numériques doivent être à au moins 10 mm des circuits analogiques sensibles.

Soyez prudent lorsque le plan de masse est interrompu.

Si les vias sont densément groupés, créant une grande fenêtre (anti-pad) sur le plan de masse, la continuité du plan de masse est interrompue. Le courant de retour est forcé de faire un détour, formant une boucle d'antenne.

Ce problème est particulièrement grave sur les PCB mixtes. Si le plan de masse analogique est interrompu par des vias, le bruit numérique peut pénétrer dans la zone analogique par des chemins de couplage.

Considérations pratiques de conception

Ayant compris les principes et les conditions limites, comment devrions-nous procéder dans la conception réelle ? Voici quelques conseils personnels :

Planifiez votre stratégie de routage pour minimiser les changements de couche.

Les meilleurs vias sont ceux qui ne sont pas percés. Pendant la phase de placement, définissez clairement le chemin de routage et essayez de vous assurer que les signaux analogiques critiques sont terminés sur la même couche. Si un changement de couche est absolument nécessaire, privilégiez le changement près des broches de la puce, et évitez de percer soudainement des vias au milieu de la trace.

Optimiser les paramètres des vias

Si les vias sont nécessaires, optimisez-les à l'extrême :

• Diamètre de via le plus petit :0,2 mm ou moins, ce qui entraîne des paramètres parasites plus faibles.
• Agrandir appropriément les anti-pads :La norme est de 10 mil, les signaux à haute vitesse peuvent être agrandis à 20-30 mil.
• Les pads ne doivent pas être trop grands :Des pads excessivement grands augmentent la capacité parasite et prennent de la place.

Vias de retour correspondants

Pour chaque via de signal, considérez le chemin de retour. Si le signal passe de L1 à L3, et que le plan de masse est sur L2, alors un via de masse doit être placé à côté du via de signal pour connecter les masses de L2 et L3.

Le via de masse doit être aussi proche que possible du via de signal ; moins de 100 mil est une plage sûre. Moins de 50 mil, c'est encore mieux.

Séparation et isolation analogique-numérique

Pour les PCB mixtes, les zones analogiques et numériques doivent être physiquement isolées. Les vias doivent également être séparés, avec des vias analogiques dans la zone analogique et des vias numériques dans la zone numérique. Ne laissez pas les vias numériques "traverser" la zone analogique.

Si des dispositifs mixtes comme les CAN/CNA sont présents, placez les vias près des dispositifs pour éviter que les signaux analogiques ne parcourent de longues distances à travers la zone numérique.

Vérification par simulation :

Pour les conceptions à haute vitesse et haute précision, ne vous fiez pas uniquement à l'expérience. Utilisez des outils de simulation SI pour vérifier l'impédance, la réflexion et la perte d'insertion des vias. Surtout le point de résonance du stub ; la simulation le révélera immédiatement.

Idées fausses courantes clarifiées :

• "Moins de vias, c'est mieux"

—Pas entièrement vrai. Les vias de signal devraient en effet être moins nombreux, mais les vias d'alimentation et de masse devraient être plus nombreux. La clé est de les traiter différemment.

• "La masse analogique doit être séparée de la masse numérique"

—Pas absolument. Les systèmes simples bénéficient souvent d'un plan de masse unifié. Les systèmes complexes nécessitent une séparation, et même dans ce cas, des connexions ponctuelles sont nécessaires.

• "Les vias aveugles sont trop chers et inutiles"

—Cela dépend de l'application. Pour les CAN 24 bits et la RF GHz, les vias aveugles sont un investissement rentable. Pour les applications ordinaires, ils sont en effet inutiles.

Résumé :

Les lignes de signaux analogiques peuvent-elles utiliser des vias ? La réponse est : cela dépend. Les basses fréquences ne sont pas sensibles, donc les vias peuvent être utilisés ; la haute précision nécessite de la prudence, donc évitez les vias si possible ; les hautes fréquences nécessitent un traitement spécial, et si utilisés, les paramètres doivent être optimisés. Les principes fondamentaux sont :

• Évitez les vias si possible ;

Planifiez bien votre stratégie de routage pour réduire les changements de couche.

• Si vous devez utiliser des vias, utilisez-les bien ;

Optimisez le diamètre des vias, les anti-pads, et utilisez des vias de retour correspondants.

• Détournez les signaux sensibles ;

Routez les signaux analogiques haute précision et haute fréquence vers la couche supérieure pour éviter les stubs.

• Divisez les signaux analogiques et numériques ;

Ne traversez pas les zones avec des vias pour éviter le couplage de bruit.

• Simulez et vérifiez ;

Ne vous fiez pas uniquement à l'expérience pour les conceptions à haute vitesse et haute précision.

Bien que les vias soient petits, il y a beaucoup à apprendre. Comprenez les principes, saisissez les limites, et les vias de signaux analogiques ne deviendront pas des pièges dans vos conceptions. J'espère que cette expérience sera utile.