Как переходы PCB влияют на качество сигнала?

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.

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.

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.

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.

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.

2. 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.