Khoảng cách giữa các dấu vết SPI để ngăn chặn nói chuyện chéo

Tôi đang tự hỏi, quy tắc ngón tay cái liên quan đến khoảng cách giữa xe buýt SPI (MISO, MOSI, CLK, nCS) là gì. Làm thế nào để đảm bảo không có cuộc nói chuyện chéo từ dấu vết này đến dấu vết khác?

Tôi đoán tần số đang đóng một vai trò ở đây?

Nguồn chính của nhiễu xuyên âm có lẽ sẽ là khớp nối điện dung giữa các dấu vết (mặc dù hãy xem câu trả lời của analogsystemrf để phân tích khớp nối quy nạp). Giả sử chúng ta có một cặp dấu vết, cách nhau 0,1 mm (tương đương với gần nhất bạn sẽ tìm thấy trên PCB tiêu chuẩn) và dày 35 mm (tức là 1 oz đồng). Máy tính này tuyên bố rằng điện dung kết quả sẽ vào khoảng 1,2 pF cho một dấu vết 10 cm.

Giả sử bạn chạy bus SPI ở 24 MHz. Ở tần số này, tụ điện sẽ có trở kháng là$\frac{1}{2\pi\cdot f\cdot C} \approx 5.5~\text{k}\Omega$. Tuy nhiên, một sóng vuông có sóng hài, bội số của tần số cơ sở. Một sóng vuông lý tưởng chỉ có sóng hài lẻ và có thể được biểu diễn dưới dạng

$$\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{2k-1}\sin\big((2k-1)\cdot\omega t\big)$$ Trong thực tế, bạn có thể có được một sóng vuông đàng hoàng chỉ với sóng hài thứ năm, $$\sin(\omega t) + \frac{1}{3}\sin(3\omega t) + \frac{1}{5}\sin(5\omega t)$$ Ở các tần số cao hơn, trở kháng của tụ điện sẽ thấp hơn tương ứng, nhưng điện áp của các sóng hài đó cũng thấp hơn tương ứng, do đó, mỗi hình sin đóng góp tương đương với nhiễu xuyên âm.

So sánh trở kháng của tụ điện ở tần số cơ bản với trở kháng đầu ra xấp xỉ 50 of của pin GPIO của vi điều khiển và chúng ta có thể thấy rằng có sự suy giảm khoảng 110. Với sự đóng góp của các sóng hài cơ bản, thứ ba và thứ năm, nhiễu xuyên âm là về hệ số khoảng 36 dưới tín hiệu.

Để có thể thực hiện xấp xỉ mà chúng ta chỉ quan tâm đến sóng hài thứ năm trở xuống, chúng ta cần đảm bảo rằng tín hiệu bị giới hạn băng thông, đòi hỏi phải lọc thông thấp. Điện dung vốn có của dấu vết và chân đầu vào có thể là 12 pF, với trở kháng trình điều khiển 50 forms tạo thành bộ lọc thông thấp với tần số -3db là$\frac{1}{2\pi\cdot R\cdot C} \approx 265~\text{MHz}$. Đây là một chút cao để cắt sóng hài thứ bảy 168 MHz, vì vậy bạn có thể thêm một chút điện trở hoặc điện dung vào dấu vết nếu nhiễu xuyên âm trở thành vấn đề, mặc dù tôi rất ngạc nhiên nếu nó ở các tần số và khoảng cách này.

[sửa: giảm khoảng cách từ 0,1 mét xuống 0,0015m (1/16 "inch); nhiễu xuyên âm tăng từ 0,06volt lên 4 volt] Hãy kiểm tra khớp nối từ trường hợp xấu nhất. Sử dụng máy phát dây thẳng, khớp nối với dây liền kề- máy thu trên mặt phẳng trong đó chiều dài $\cdot$ chiều cao xác định vùng lặp.

$$V_{induce} = L \cdot \frac{di}{dt} \\ L = \mu N^2 \cdot \frac{A}{l} = \mu_0 \mu_r \frac{Area}{2\pi \cdot Distance} \\ \Rightarrow V_{induce} = \mu_0 \mu_r \cdot \frac{Area}{2\pi\cdot Distance } \cdot \frac{di}{dt}$$

Giả sử chạy 0,1 mét và chiều cao 1,5mm (1/16 "inch. [Chỉnh sửa: Giả sử khoảng cách nạn nhân của kẻ xâm lược là 1,5mm.]

Những gì là $di/dt$?

Giả sử tải 100pF (nhiều IC trên một đồng hồ SPI hoặc đường dữ liệu). Hơn nữa giả sử độ dốc 1 ns, với$i = C \cdot dV_C/dt$, đỉnh $i$là 100mA = 0,1A, tăng một nửa thời gian cạnh tức là 0,5 ns. Như vậy$di/dt=0.2 A/ns$.

Điện áp cảm ứng là gì?

Với $\mu_0=4\pi 10^{-7}$, các $\pi$ sẽ hủy, để lại

$$\begin{align} V_{induce} &= \mu_0 \mu_r \cdot \frac{Area}{2\pi\cdot Distance } \cdot \frac{di}{dt} \\ &= 2\cdot 10^{-7} \cdot \frac{Area}{Distance} \cdot \frac{0.2A}{ns} \\ &= 2\cdot 10^{-7} \cdot \frac{0.1 \cdot 0.0015}{0.0015} \cdot 0.2 \cdot 10^9 \\ &= 2\cdot 10^{-7} \cdot 0.1 \cdot 0.2 \cdot 10^9 \\ &= 10 \cdot 0.4 \\ &= 4 volts \end{align}$$

Tóm tắt: tải điện dung nặng gây ra dòng điện quá độ lớn, gây nhiễu xuyên âm lớn

Nếu bạn Google "crosstalk thiết kế pcb", bạn có thể nhận được rất nhiều kết quả.

Dù sao, một số quy tắc bạn nên tuân theo:

• Giữ dấu vết càng ngắn và càng dài càng tốt
• Tránh rẽ (90 °, 45 ° mitter hoặc fillet) và vias nếu có thể
• Giữ ít nhất 2 lần chiều rộng theo dõi cần thiết giữa dấu vết xuyên âm tiềm năng.
• Đặt một mặt phẳng mặt đất giữa các dấu vết (cho mục đích che chắn) cũng có thể cải thiện hiệu suất (Giữ mặt phẳng mặt đất càng gần dấu vết càng tốt)