¿Cómo afectan las vías PCB a la calidad de la señal?

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¿Es una mala práctica enrutar señales de alta velocidad (como un bus SPI con velocidad de reloj de 4MHz) a través de vías de PCB?

He notado un buen ruido (+ -300mV) en las señales de mi bus SPI con niveles de 3.3V. Los trazos de las señales tienen solo unos 5 cm de largo, pero pasan por unos 5 vias cada uno en el camino a su destino. El tablero tiene solo 2 capas, por lo que hay tantas vías en estas líneas.

¿Qué tipo de ruido puedo esperar (si es que hay) introducido por un cambio de capa de PCB?


Mucha información buena en las respuestas. Va a ser difícil elegir solo uno. Dado que una vía PCB introduce aproximadamente 1.2nH de inductancia y 0.4pF de capacitancia, el consenso parece ser que las 5 vías no afectarán una señal de 4MHz de manera significativa.

Jeff Wahaus
fuente
Si imagina la vista lateral de una traza a través de una vía, ¿cómo esperaría que esa forma afecte la señal?
Ratchet Freak
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Hoy en día, un bus SPI de 4 MHz no es "de alta velocidad". Es necesario pensar en la integridad de la señal, pero el uso correcto no debería ser un problema. No debería necesitar cinco vías para lograr una carrera de 5 cm. ¿Dejó que una ruta automática se volviera loca? Para los tableros que haría alguien que hiciera su pregunta, probablemente debería estar enrutando manualmente. Es probable que el "ruido" que está midiendo sea el resultado de cómo está midiendo, es probable que haya algún sobreimpulso y timbre, pero no está claro si lo está midiendo.
Chris Stratton el
Con una placa de dos capas, generalmente no hay un plano de tierra sólido, por lo que la impedancia de rastreo no es constante de todos modos. Por lo tanto, las vías hacen poca diferencia. Y al menos no causan (cantidad significativa de) ruido. Además, 4 MHz no es de alta velocidad como se menciona en otros comentarios.
TemeV
Para empezar, vea cada vía como 1 inductancia nanoHenry en serie con una línea de transmisión. Entonces puedes refinar este modelo.
analogsystemsrf
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@ChrisStratton Estoy de acuerdo con usted en que 4MHz no es alta velocidad, ya que la alta velocidad llega en estos días. En aras de la exhaustividad, muchos problemas de integridad de la señal se deben al tiempo de subida, en lugar de a la frecuencia fundamental. Un reloj de 4MHz puede tener un tiempo de subida de 20ns.
Nick Alexeev

Respuestas:

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300mV es mucho para un bus de 3.3V. Vias no causará un problema ya que una vía solo agrega unos pocos nH de inductancia y si la capacitancia en cualquiera de los extremos es inferior a 100pF y una traza tan corta estaría por debajo de 0.1Ω, lo que haría un resonador RLC a alrededor de 1GHz, y usted ganó No lo veo.

Los efectos de la línea de transmisión no se notan hasta 50MHz, por lo que 4Mhz deberían estar bien.

El problema más común en las placas de dos capas es el ruido de modo común de una conexión a tierra inadecuada (conexión en tierra) y el ruido de modo común. Así que primero miraría el sistema de puesta a tierra en el diseño, asegurándome de que las corrientes no creen ruido en modo común a través de pequeñas trazas que están conectadas en cadena.

El otro problema podría ser con la conexión a tierra y dónde se coloca la conexión a tierra.

Pico de voltaje
fuente
El bus SPI está pasando por una palanca de cambio de nivel TXB0108 (5 a 3.3V), por lo que esperaba que las señales de 3.3V estuvieran bastante limpias. Aparentemente, el ruido que estaba viendo se debía a que tenía el telescopio conectado al autobús. El bus SPI tiene 3 dispositivos, dos a menos de 2 cm del traductor de nivel y uno a unos 5 cm de distancia. El dispositivo más alejado está enchufado, así que lo quité para usar los pines del zócalo para conectar el telescopio. Con el tercer dispositivo retirado, las señales tenían un ruido significativo. Volví a medir con el tercer dispositivo conectado y el ruido fue significativamente menor.
Jeff Wahaus el
La conexión a tierra de los ámbitos puede ser un gran problema, si va más rápido que 30MHz + la inductancia del cable de conexión a tierra de la sonda comienza a ser notable y debe tomar medidas para que sea lo más corta posible.
Pico de voltaje el
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Soy un novato cuando se trata de señales de mayor velocidad, pero da la casualidad de que estaba investigando la integridad de la señal cuando hizo la pregunta. Una fuente a la que me refiero es Right the First Time de Lee Ritchey . Deberá consultar el capítulo 25, Curvas y sesgos en ángulo recto: posibles fuentes de reflexiones y otros problemas .

No creo que las vías causen problemas en su diseño. Aquí hay un extracto de la fuente:

Las vías, cuando se usan en trazas, son capacitivas, no inductivas. El valor de capacitancia de una vía es pequeño en comparación con la capacitancia de una traza (3.5pF / pulgada para 50Ω). En general, las vías no son visibles para las señales con velocidades de borde más lentas que 0.3 ns.

El capítulo continúa discutiendo las reflexiones debido a los desajustes de impedancia de la capa de PCB, sin embargo, este parece ser el caso cuando no se cumplen las tolerancias de fabricación.

JYelton
fuente
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El problema no es que el reloj SPI tenga una frecuencia demasiado alta (4 MHz). Podría ser 0.1 Hz y los bordes de la señal aún sonarían, ya que es la velocidad de borde la que define el ancho de banda. Por lo general, los pines IO del microcontrolador son moderadamente fuertes y pueden manejar, por ejemplo, una carga capacitiva de 30pF con un tiempo de subida de 4ns o una carga capacitiva de 10pF con un tiempo de subida de 2.5nS. Eso es lo suficientemente fuerte como para conducir señales de 100-120MHz desde una MCU, de acuerdo con la hoja de datos STM32F207.

Lo que puede faltar es que si su MCU no tiene una fuerza de accionamiento de clavija configurable, puede ralentizar los tiempos de subida / bajada a niveles razonables colocando, por ejemplo, resistencias de terminación de la serie de 33 ohmios en el dispositivo que acciona las clavijas. De esta manera, los bordes necesitan menos ancho de banda y hay menos timbres. El SPI de 4MHz que se ejecuta durante 5 cm de longitud no debería ser un problema, pero verifique qué tiempos de subida / caída necesitan sus chips para funcionar.

Otro problema es que su osciloscopio puede mostrar señales de llamada solo porque el alcance o las sondas tienen un límite de 100MHz BW y los bordes de la señal son lo suficientemente rápidos como para superar el límite de 100MHz BW.

Solo yo
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La velocidad de borde que he medido es de alrededor de 300ns. Suena un buen timbre en la línea MOSI presente, pero desaparece cuando se produce el aumento del borde del reloj. Probablemente podría escapar con un reloj de bus de 8MHz pero no más rápido sin que el timbre se convierta en un problema.
Jeff Wahaus el
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5MHz es lento. Pero el ancho de banda de la señal depende de la duración.

BW = 0.35 / Tr por lo que es 10ns = 0.01us el BW = 0.35 / 0.01us = 35MHz

Pero si la señal era lógica HDMI o CML o incluso solo 1ns de por vida, entonces;

BW = 350MHz Luego tenemos dos reglas generales más longitud máxima de ruta para ignorar los reflejos de vias o trazas largas;

1: 1/10 Lambda el tiempo de subida de 1ns está usando v = c / sqrt (Er)
- la longitud máxima de la ruta es de 8.5 cm

  1. Slewrate / 4
    • la longitud máxima del camino es de 4.5 cm

Para un mejor análisis, use algunas herramientas de cálculo como Saturn PCB.exe o herramientas de análisis que usan ESL, ESR, C (pf) de su inductancia y capacitancia en un modelo para ver el resultado usando la impedancia del controlador VOl / Iol = Ron.

Luego modele en su simulador favorito. El mío es de Falstad

Sus resultados son SOLAMENTE tan buenos como los valores de su modelo, ya que FALSTAD usa fuentes de voltaje ideales y los cables son ideales. Entonces agrega valores R, L, C para adaptarse a su modelo.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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