In che modo la via PCB influisce sulla qualità del segnale?

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È una cattiva pratica instradare segnali ad alta velocità (come un bus SPI con clock a 4 MHz) attraverso PCB vias?

Ho notato un bel po 'di rumore (+ -300mV) sui segnali del mio bus SPI con livelli di 3.3V. Le tracce dei segnali sono lunghe solo circa 5 cm ma attraversano circa 5 vie ciascuna sulla strada per la loro destinazione. La scheda ha solo 2 livelli, motivo per cui ci sono così tanti via su queste linee.

Che tipo di rumore posso aspettarmi (se presente) da un cambio di strato PCB?

Molte buone informazioni nelle risposte. Sarà difficile sceglierne solo uno. Dato che un PCB via introduce circa 1,2 nH di induttanza e 0,4 pF di capacità, il consenso sembra essere che il 5 via non influenzerà in alcun modo un segnale di 4 MHz.

pcb noise via

— Jeff Wahaus
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Se immagini la vista laterale di una traccia attraverso una via, come ti aspetteresti che quella forma influisca sul segnale?

— maniaco del cricchetto,

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Un bus SPI a 4 MHz non è quasi "ad alta velocità" oggi: è necessario pensare all'integrità del segnale, ma sano durante l'uso non dovrebbe essere un problema. Non dovresti aver bisogno di cinque vie per eseguire una corsa di 5 cm - hai lasciato correre un autorouter? Per le schede che qualcuno avrebbe posto la tua domanda, probabilmente dovresti eseguire il routing manuale. Il "rumore" che stai misurando è probabilmente il risultato di come stai misurando, probabilmente c'è qualche superamento e squillo, ma non è chiaro che lo stai misurando.

— Chris Stratton,

Con la scheda a due strati in genere non esiste un piano di massa solido, quindi l'impedenza di traccia non è costante. Quindi vias fa poca differenza. E almeno non causano (quantità significativa di) rumore. Anche 4 MHz non è ad alta velocità come indicato in altri commenti.

— TemeV,

per cominciare, visualizzare ciascuno come 1 induttanza nanoHenry in serie con una linea di trasmissione. Quindi puoi affinare questo modello.

— analogsystemsrf

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@ChrisStratton Sono d'accordo con te sul fatto che 4MHz non è ad alta velocità poiché l'alta velocità arriva in questi giorni. Per completezza, molti problemi di integrità del segnale sono determinati dall'aumento del tempo, piuttosto che dalla frequenza fondamentale. Un orologio a 4 MHz può avere un tempo di aumento di 20 ns.

— Nick Alexeev

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300mV è molto per un bus 3.3V. Vias non causerà un problema poiché una via aggiunge solo pochi nH di induttanza e se la capacità su entrambe le estremità è inferiore a 100 pF e una traccia così corta sarebbe inferiore a 0,1 Ω che renderebbe un risonatore RLC a circa 1 GHz e hai vinto non vederlo.

Gli effetti della linea di trasmissione non diventano evidenti fino a 50 MHz, quindi i 4 MHz dovrebbero andare bene.

Il problema più comune su schede a due strati è il rumore in modalità comune da una messa a terra impropria (daisy chaining ground) e il rumore in modalità comune. Quindi vorrei prima esaminare il sistema di messa a terra nel design, assicurarmi che le correnti non creino rumore di modo comune attraverso piccole tracce che sono concatenate.

L'altro problema potrebbe riguardare la messa a terra e la posizione della messa a terra dell'oscilloscopio.

— Picco di tensione
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Il bus SPI sta attraversando un cambio di livello TXB0108 (da 5 a 3,3 V), quindi mi aspettavo che i segnali da 3,3 V fossero abbastanza puliti. Il rumore che stavo vedendo era apparentemente dovuto a come avevo l'oscilloscopio collegato al bus. Sul bus SPI sono presenti 3 dispositivi, due a 2 cm dal traduttore di livello e uno a circa 5 cm di distanza. Il dispositivo più lontano è dotato di socket, quindi l'ho rimosso per utilizzare i pin del socket per collegare l'oscilloscopio. Con il 3 ° dispositivo rimosso i segnali presentavano un rumore significativo. Ho misurato nuovamente con il terzo dispositivo collegato e il rumore era significativamente inferiore.

— Jeff Wahaus,

La messa a terra per gli ambiti può essere un grosso problema, se si va più veloci di 30 MHz + l'induttanza del filo di terra della sonda inizia a diventare evidente e è necessario prendere provvedimenti per renderla il più breve possibile.

— Picco di tensione

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Sono alle prime armi quando si tratta di segnali a velocità più elevata, ma è proprio così che stavo cercando l'integrità del segnale quando hai posto la domanda. Una fonte a cui mi riferisco è Right the First Time di Lee Ritchey . Dovresti dare un'occhiata al capitolo 25, Curve ad angolo retto e vias: potenziali fonti di riflessioni e altri problemi .

Non credo che i via possano causare problemi nella progettazione. Ecco un estratto dalla fonte:

I vias, quando usati nelle tracce, sono capacitivi, non induttivi. Il valore di capacità di una via è piccolo rispetto alla capacità di una traccia (3,5 pF / pollice per 50 Ω). In generale, i via non sono visibili ai segnali con velocità dei bordi inferiori a 0,3 ns.

Il capitolo prosegue discutendo le riflessioni dovute a disallineamenti dell'impedenza dello strato PCB, tuttavia questo sembra essere un caso in cui le tolleranze di fabbricazione non sono soddisfatte.

— JYelton
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Il problema non è l'orologio SPI essendo troppo alta frequenza (4 MHz). Potrebbe essere 0,1 Hz e i bordi del segnale continuerebbero a squillare, poiché è la frequenza dei bordi che definisce la larghezza di banda. In genere, i pin IO del microcontrollore sono moderatamente potenti e possono pilotare ad esempio un carico capacitivo di 30pF con tempo di salita di 4 ns o un carico capacitivo di 10 pF con tempo di salita di 2,5 nS. È abbastanza forte da pilotare segnali 100-120 MHz da un MCU, secondo il datasheet STM32F207.

Quello che potresti perdere è che se la tua MCU non ha una forza di azionamento dei pin impostabile, puoi rallentare i tempi di salita / discesa a livelli sani, ad esempio mettendo resistori di terminazione serie 33 ohm sul dispositivo che sta guidando i pin. In questo modo i bordi richiedono meno larghezza di banda e c'è meno squillo. La SPI a 4 MHz in esecuzione per 5 cm di lunghezza non dovrebbe essere un problema, ma controlla quali tempi di salita / discesa devono funzionare per i tuoi chip.

Un altro problema è che l'oscilloscopio potrebbe mostrare lo squillo per i segnali solo perché l'oscilloscopio o le sonde hanno un limite BW a 100 MHz e i bordi dei segnali sono abbastanza veloci da superare il limite BW a 100 MHz.

— Solo io
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La velocità limite che ho misurato è di circa 300 ns. C'è un bel po 'di squilli sulla linea MOSI presente ma è sparita quando si verifica il fronte di clock in aumento. Probabilmente potrei cavarmela con un clock del bus a 8 MHz, ma non più veloce senza che lo squillo diventi un problema.

— Jeff Wahaus,

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5MHz è lento. Ma la larghezza di banda del segnale dipende dal tempo di attesa.

BW = 0,35 / Tr quindi è 10ns = 0,01us il BW = 0,35 / 0,01us = 35MHz

Ma se il segnale fosse una logica HDMI o CML o anche solo 1ns in tempo di attesa, allora;

BW = 350MHz Quindi abbiamo due Regole del pollice più lunghezze massime del percorso per ignorare i riflessi di via o lunghe tracce;

1: 1/10 Lambda il tempo di salita di 1 n utilizza v = c / sqrt (Er)
- la lunghezza massima del percorso è di 8,5 cm

Slewrate / 4
- la lunghezza massima del percorso è di 4,5 cm

Per una migliore analisi, utilizzare alcuni strumenti di calcolo come Saturn PCB.exe o strumenti di analisi che utilizzano ESL, ESR, C (pf) della propria induttanza e capacità in un modello per vedere il risultato usando l'impedenza del driver VOl / Iol = Ron.

Quindi modella nel tuo simulatore preferito. Il mio è di Falstad

I risultati sono SOLO buoni quanto i valori del modello in quanto FALSTAD utilizza sorgenti di tensione ideali e i cavi sono ideali. Quindi aggiungi i valori R, L, C per adattarli al tuo modello.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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