Как переходы PCB влияют на качество сигнала?

9

Является ли плохой практикой направлять высокоскоростные сигналы (например, шину SPI с тактовой частотой 4 МГц) через переходные отверстия печатной платы?

Я заметил хороший шум (+ -300 мВ) на моих сигналах шины SPI с уровнями 3,3 В. Следы сигналов имеют длину всего около 5 см, но они проходят около 5 переходных отверстий каждый на пути к месту назначения. На плате всего 2 слоя, поэтому на этих линиях так много переходных отверстий.

Какой шум можно ожидать (если таковой имеется) при смене уровня печатной платы через?


Много хорошей информации в ответах. Будет сложно выбрать только одного. Учитывая, что PCB via вводит около 1,2 нГн индуктивности и 0,4 пФ емкостного сопротивления, консенсус, по-видимому, заключается в том, что 5-ти кратное сквозное не повлияет на сигнал 4 МГц каким-либо существенным образом.

Джефф Вахаус
источник
Если вы представите вид сбоку трассировки через проход, как вы ожидаете, что эта форма повлияет на сигнал?
фрик с трещоткой
6
Шина SPI 4 МГц сегодня вряд ли "высокоскоростная" - вам нужно думать о целостности сигнала, но нормальное использование не должно быть проблемой. Вам не нужно пять переходных отверстий для выполнения пробега на 5 см - вы позволили авторутеру взбеситься? Для досок, которые кто-то задает ваш вопрос, вы, вероятно, должны быть вручную маршрутизации. «Шум», который вы измеряете, вероятно, является результатом того, как вы измеряете, возможно, есть некоторый выброс и сигнал, но не ясно, что вы измеряете это.
Крис Страттон
С двухслойной платой обычно нет сплошной заземленной поверхности, поэтому импеданс трассы в любом случае не постоянен. Таким образом, переходы не имеют большого значения. И, по крайней мере, они не вызывают (значительное количество) шума. Также 4 МГц не высокая скорость, как упоминалось в других комментариях.
TemeV
для начала, рассмотрите каждую через как 1 индуктивность nanoHenry последовательно с линией передачи. Тогда вы можете уточнить эту модель.
analogsystemsrf
1
@ChrisStratton Я согласен с вами, что 4 МГц не высокая скорость, поскольку высокая скорость приходит в наши дни. Ради полноты многие проблемы с целостностью сигнала обусловлены временем нарастания, а не основной частотой. Часы 4 МГц могут иметь время повышения 20 нс.
Ник Алексеев

Ответы:

4

300 мВ это много для шины 3.3 В. Vias не вызовет проблем, так как переход добавляет только несколько нГн индуктивности, и если емкость на обоих концах ниже 100 пФ, а короткая трасса будет меньше 0,1 Ом, что сделает резонатор RLC на частоте около 1 ГГц, и вы выиграли не вижу этого.

Эффекты линии передачи не становятся заметными до 50 МГц, поэтому 4 МГц должно быть хорошо.

Наиболее распространенной проблемой на двухслойных платах является синфазный шум из-за неправильного заземления (гирляндное соединение) и синфазный шум. Поэтому сначала я хотел бы взглянуть на систему заземления в конструкции, чтобы убедиться, что токи не создают синфазного шума через небольшие следы, которые соединены последовательно.

Другая проблема может быть связана с заземлением и местом размещения заземления.

Скачок напряжения
источник
Шина SPI проходит через переключатель уровня TXB0108 (от 5 до 3,3 В), поэтому я ожидал, что сигналы 3,3 В будут довольно чистыми. Шум, который я видел, был, очевидно, из-за того, как я подключил прицел к автобусу. Шина SPI имеет 3 устройства, два в пределах 2 см от преобразователя уровня и одно на расстоянии около 5 см. Самое дальнее устройство подключено к разъему, поэтому я снял его, чтобы использовать штырьки гнезда для крепления прицела. При удалении 3-го устройства сигналы имели значительный шум. Я перемерил с подключенным 3-м устройством, и шум был значительно меньше.
Джефф Вахаус
Заземление для прицелов может быть большой проблемой, если вы используете частоту выше 30 МГц + индуктивность заземляющего провода датчика начинает становиться заметной, и вам необходимо принять меры, чтобы сделать ее как можно короче.
напряжения
5

Я новичок, когда дело доходит до сигналов с более высокой скоростью, но так получилось, что я исследовал целостность сигналов, когда вы задавали вопрос. Один источник, на который я ссылаюсь, это « Право с первого раза» Ли Ричи . Возможно, вы захотите ознакомиться с главой 25 « Прямоугольные повороты и виа: потенциальные источники размышлений и других проблем» .

Я не верю, что переходные отверстия вызовут какие-либо проблемы в вашем дизайне. Вот выдержка из источника:

Vias, при использовании в следах, являются емкостными, а не индуктивными. Значение емкости прохода мало по сравнению с емкостью следа (3,5 пФ / дюйм для 50 Ом). Как правило, переходные отверстия не видны для сигналов с частотой фронта, меньшей 0,3 нс.

В этой главе обсуждаются отражения из-за несоответствия импеданса слоя печатной платы, однако это, похоже, тот случай, когда производственные допуски не соблюдаются.

JYelton
источник
3

Проблема не в том, что тактовая частота SPI слишком высокая (4 МГц). Это может быть 0,1 Гц, и фронты сигнала будут все еще звонить, поскольку именно частота фронта определяет полосу пропускания. Обычно выводы ввода / вывода микроконтроллера являются умеренно сильными и могут, например, управлять емкостью 30 пФ с временем нарастания 4 нс или емкостью 10 пФ с временем нарастания 2,5 нс. Это достаточно для того, чтобы выводить сигналы 100-120 МГц из MCU, согласно спецификации STM32F207.

Чего вам не хватает, так это того, что если у вашего MCU нет настраиваемой силы привода выводов, вы можете уменьшить время нарастания / спада до нормальных уровней, подключив, например, нагрузочные резисторы серии 33 Ом к устройству, которое управляет выводами. Таким образом, края должны иметь меньшую полосу пропускания и меньше звонков. SPI на 4 МГц, работающий на длине 5 см, не должен быть проблемой, но проверьте, какие времена нарастания / спада нужны вашим чипам.

Другая проблема заключается в том, что ваш осциллограф может показывать сигналы для сигналов только потому, что прицел или датчики имеют ограничение 100 МГц BW, а фронты сигналов достаточно быстрые, чтобы превысить предел 100 МГц BW.

Просто я
источник
Скорость измерения, которую я измерил, составляет около 300 нс. На линии MOSI слышен хороший сигнал, но он исчезает к тому времени, когда происходит повышение частоты. Я мог бы, вероятно, уйти с тактовой частотой шины 8 МГц, но не быстрее, если бы звон не стал проблемой.
Джефф Вахаус
2

5 МГц - это медленно. Но полоса пропускания сигнала зависит от времени нарастания.

BW = 0,35 / Tr, то есть 10 нс = 0,01, BW = 0,35 / 0,01us = 35 МГц.

Но если сигнал был логикой HDMI или CML или даже просто временем нарастания 1 нс, то;

BW = 350 МГц. Тогда у нас есть два правила большого пальца: максимальная длина пути, чтобы игнорировать отражения от переходных отверстий или длинных трасс;

1: 1/10 лямбда. Время нарастания 1 нс использует v = c / sqrt (Er)
- максимальная длина пути составляет 8,5 см.

  1. Поворот / 4
    • максимальная длина пути составляет 4,5 см

Для лучшего анализа используйте некоторые инструменты калькуляции, такие как Saturn PCB.exe или инструменты анализа, используя ESL, ESR, C (pf) вашей индуктивности и емкости в модели, чтобы увидеть результат с помощью импеданса драйвера VOl / Iol = Ron.

Затем модель в ваш любимый симулятор. Шахта Фальстада

Ваши результаты ТОЛЬКО соответствуют значениям модели, поскольку FALSTAD использует идеальные источники напряжения, а провода - идеальные. Таким образом, вы добавляете значения R, L, C в соответствии с вашей моделью.

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник