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

¿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.

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.

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.

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.

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

2. 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.