Làm thế nào để vias PCB ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu?

Có phải thực tế xấu khi định tuyến tín hiệu tốc độ cao (như bus SPI có tốc độ 4 MHz) thông qua vias PCB?

Tôi đã nhận thấy một chút nhiễu (+ -300mV) trên tín hiệu bus SPI của mình với các mức 3,3V. Các dấu vết tín hiệu chỉ dài khoảng 5cm nhưng chúng đi qua khoảng 5 vias mỗi lần trên đường đến đích. Bảng chỉ có 2 lớp, đó là lý do tại sao có rất nhiều vias trên các dòng này.

Loại tiếng ồn nào tôi có thể mong đợi (nếu có) được giới thiệu bằng cách thay đổi lớp PCB thông qua?

Rất nhiều thông tin tốt trong các câu trả lời. Sẽ rất khó để chỉ chọn một. Cho rằng PCB thông qua giới thiệu khoảng 1,2nH điện cảm và 0,4pF điện dung, sự đồng thuận dường như là 5 thông qua sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu 4 MHz theo bất kỳ cách quan trọng nào.

300mV là rất nhiều cho một chiếc xe buýt 3,3V. Vias sẽ không gây ra sự cố vì chỉ thông qua một vài nH độ tự cảm và nếu điện dung ở hai đầu thấp hơn 100pF và một dấu vết ngắn dưới 0,1Ω sẽ tạo ra bộ cộng hưởng RLC ở khoảng 1GHz, và bạn đã thắng Tôi không thấy điều đó.

Hiệu ứng đường truyền không trở nên đáng chú ý cho đến 50 MHz, vì vậy 4Mhz sẽ ổn.

Vấn đề phổ biến nhất trên bảng hai lớp là tiếng ồn chế độ phổ biến từ nối đất không đúng (nền xích daisy) và tiếng ồn chế độ chung. Vì vậy, trước tiên tôi sẽ xem xét hệ thống nối đất trong thiết kế, đảm bảo rằng các dòng điện không tạo ra tiếng ồn chế độ chung thông qua các dấu vết nhỏ được xâu chuỗi.

Vấn đề khác có thể là với nối đất và nơi đặt phạm vi mặt đất.

Tôi là người mới khi nói đến tín hiệu tốc độ cao hơn, nhưng thực tế là tôi đang nghiên cứu tính toàn vẹn tín hiệu khi bạn đặt câu hỏi. Một nguồn mà tôi đang tham khảo là Right the First Time của Lee Ritchey . Bạn sẽ muốn xem chương 25, Bẻ góc phải và Vias: Nguồn tiềm năng của sự phản ánh và các vấn đề khác .

Tôi không tin rằng vias sẽ gây ra bất kỳ vấn đề nào trong thiết kế của bạn. Đây là một đoạn trích từ nguồn:

Vias, khi được sử dụng trong dấu vết, là điện dung, không quy nạp. Giá trị điện dung của một thông qua là nhỏ so với điện dung của một dấu vết (3,5pF / inch cho 50Ω). Nói chung, vias không hiển thị với các tín hiệu có tốc độ cạnh chậm hơn 0,3 ns.

Chương này tiếp tục thảo luận về các phản xạ do sự không phù hợp của trở kháng lớp PCB, tuy nhiên điều này dường như là một trường hợp khi dung sai sản xuất không được đáp ứng.

Vấn đề không phải là đồng hồ SPI có tần số quá cao (4 MHz). Nó có thể là 0,1 Hz và các cạnh tín hiệu vẫn sẽ đổ chuông, vì đó là tốc độ cạnh xác định băng thông. Thông thường các chân IO của vi điều khiển có độ mạnh vừa phải và có thể điều khiển tải điện dung 30pF với thời gian tăng 4ns hoặc tải điện dung 10pF với thời gian tăng 2,5nS. Điều đó đủ mạnh để phát tín hiệu 100-120 MHz từ MCU, theo bảng dữ liệu STM32F207.

Những gì bạn có thể thiếu là nếu MCU của bạn không có cường độ ổ đĩa ổn định, bạn có thể làm chậm thời gian tăng / giảm xuống mức lành mạnh bằng cách đặt các điện trở kết thúc loạt 33 ohms vào thiết bị đang điều khiển các chân. Bằng cách này, các cạnh cần ít băng thông hơn và ít đổ chuông hơn. SPI 4 MHz chạy với chiều dài 5cm không phải là vấn đề, nhưng hãy kiểm tra xem thời gian tăng / giảm của chip mà bạn cần để hoạt động.

Một vấn đề khác là máy hiện sóng của bạn có thể hiển thị chuông cho tín hiệu chỉ vì phạm vi hoặc đầu dò có giới hạn BW 100 MHz và các cạnh tín hiệu đủ nhanh để vượt quá giới hạn BW 100 MHz.

5 MHz là chậm. Nhưng băng thông của tín hiệu phụ thuộc vào thời gian tồn tại.

BW = 0,35 / Tr nên nó là 10ns = 0,01us, BW = 0,35 / 0,01us = 35 MHz

Nhưng nếu tín hiệu là logic HDMI hoặc CML hoặc thậm chí chỉ là 1ns risetime, thì;

BW = 350 MHz Sau đó, chúng tôi có hai Quy tắc ngón tay cái có độ dài đường dẫn tối đa nhiều hơn để bỏ qua các phản xạ từ vias hoặc dấu vết dài;

1: 1/10 Lambda thời gian tăng 1ns đang sử dụng v = c / sqrt (Er)
- chiều dài đường dẫn tối đa là 8,5 cm

2. Xoay / 4
   • chiều dài đường dẫn tối đa là 4,5 cm

Để phân tích tốt hơn, hãy sử dụng một số công cụ calc như Saturn PCB.exe hoặc các công cụ phân tích bằng cách sử dụng ESL, ESR, C (pf) của bạn thông qua điện cảm và điện dung vào mô hình để xem kết quả bằng cách sử dụng trở kháng trình điều khiển VOl / Iol = Ron.

Sau đó mô hình vào giả lập yêu thích của bạn. Của tôi là của Falstad

Kết quả của bạn CHỈ tốt như các giá trị mô hình của bạn vì FALSTAD sử dụng các nguồn điện áp lý tưởng và dây dẫn là lý tưởng. Vì vậy, bạn thêm các giá trị R, L, C cho phù hợp với mô hình của bạn.