Abstand zwischen SPI-Spuren, um ein Übersprechen zu verhindern

Ich frage mich, was ist die Faustregel bezüglich der Entfernung zwischen dem SPI-Bus (MISO, MOSI, CLK, nCS). Wie kann sichergestellt werden, dass kein Übersprechen von einer Spur zur anderen stattfindet?

Ich denke, die Frequenz spielt hier eine Rolle?

Die Hauptquelle für Übersprechen wird vermutlich die kapazitive Kopplung zwischen den Spuren sein (siehe jedoch die Antwort von analogsystemrf für eine Analyse der induktiven Kopplung). Angenommen, wir haben ein Paar Spuren mit einem Abstand von 0,1 mm (was ungefähr dem nächsten entspricht, den Sie auf einer Standardplatine finden) und einer Dicke von 35 μm (dh 1 Unze Kupfer). Dieser Rechner behauptet, dass die resultierende Kapazität für eine 10-cm-Spur etwa 1,2 pF beträgt.

Angenommen, Sie betreiben den SPI-Bus mit 24 MHz. Bei dieser Frequenz hat der Kondensator eine Impedanz von$\frac{1}{2\pi\cdot f\cdot C} \approx 5.5~\text{k}\Omega$. Eine Rechteckwelle hat jedoch Harmonische, Vielfache der Grundfrequenz. Eine ideale Rechteckwelle hat nur ungerade Harmonische und kann als dargestellt werden

$$\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{2k-1}\sin\big((2k-1)\cdot\omega t\big)$$ In der Praxis können Sie eine anständige Rechteckwelle nur mit der fünften Harmonischen erhalten, $$\sin(\omega t) + \frac{1}{3}\sin(3\omega t) + \frac{1}{5}\sin(5\omega t)$$ Bei den höheren Frequenzen ist die Impedanz des Kondensators proportional niedriger, aber die Spannung dieser Harmonischen ist auch proportional niedriger, so dass jede Sinuskurve ungefähr gleich zum Übersprechen beiträgt.

Vergleichen Sie die Impedanz des Kondensators bei der Grundfrequenz mit der Ausgangsimpedanz eines GPIO-Pins eines Mikrocontrollers von ungefähr 50 Ω, und wir können sehen, dass eine Dämpfung von etwa einem Faktor von 110 vorliegt. Mit Beiträgen der Grundwelle, der dritten und der fünften Harmonischen Das Übersprechen liegt etwa um den Faktor 36 unter dem Signal.

Um die Annäherung treffen zu können, dass wir uns nur um die fünfte Harmonische und darunter kümmern, müssen wir sicherstellen, dass das Signal bandbreitenbegrenzt ist, was eine Tiefpassfilterung erfordert. Die inhärente Kapazität der Leiterbahnen und des Eingangspins beträgt möglicherweise 12 pF, was mit der Treiberimpedanz von 50 Ω ein Tiefpassfilter mit einer Frequenz von -3 dB bildet$\frac{1}{2\pi\cdot R\cdot C} \approx 265~\text{MHz}$. Dies ist etwas hoch, um die siebte Harmonische von 168 MHz abzuschalten, sodass Sie der Spur etwas mehr Widerstand oder Kapazität hinzufügen können, wenn Übersprechen zu einem Problem wird, obwohl ich überrascht wäre, wenn dies bei diesen Frequenzen und Entfernungen der Fall ist.

[Bearbeiten: reduzierter Abstand von 0,1 m auf 0,0015 m (1/16 "Zoll); Übersprechen stieg von 0,06 Volt auf 4 Volt] Untersuchen wir die Magnetkopplung im ungünstigsten Fall. Over-Plane-Empfänger, wo die Länge $\cdot$ Höhe definiert den Schleifenbereich.

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

Nehmen Sie einen Lauf von 0,1 Metern und eine Höhe von 1,5 mm (1/16 "Zoll) an. [Bearbeiten: Nehmen Sie einen Abstand von 1,5 mm zwischen Angreifer und Opfer an.]

Was ist $di/dt$?

Nehmen wir eine Last von 100 pF an (zahlreiche ICs auf einem SPI-Takt oder einer Datenleitung). Nehmen Sie ferner eine Steigung von 1 ns mit an$i = C \cdot dV_C/dt$, der Spitzer $i$beträgt 100 mA = 0,1 A und steigt in der Hälfte der Flankenzeit an, dh 0,5 ns. Somit$di/dt=0.2 A/ns$.

Was ist die induzierte Spannung?

Mit $\mu_0=4\pi 10^{-7}$, das $\pi$ wird abbrechen und verlassen

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

Zusammenfassung: Starke kapazitive Lasten verursachen starke transiente Ströme und verursachen großes Übersprechen

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Wie auch immer, einige Regeln, die Sie befolgen sollten:

• Halten Sie die Spuren so kurz und gleich lang wie möglich
• Vermeiden Sie nach Möglichkeit Drehungen (90 °, 45 ° Gehrung oder Filet) und Durchkontaktierungen
• Halten Sie mindestens das Zweifache der erforderlichen Spurbreite zwischen den Übersprechpotentialspuren ein.
• Das Platzieren einer Grundebene zwischen Leiterbahnen (zu Abschirmungszwecken) kann ebenfalls die Leistung verbessern (Halten Sie die Grundebene so nah wie möglich an der Leiterbahn).