Wie wirken sich Leiterplatten-Durchkontaktierungen auf die Signalqualität aus?

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Ist es eine schlechte Praxis, Hochgeschwindigkeitssignale (wie einen mit 4 MHz getakteten SPI-Bus) durch PCB-Durchkontaktierungen zu leiten?

Ich habe auf meinen SPI-Bussignalen mit 3,3 V-Pegeln ein gutes Rauschen (+ -300 mV) festgestellt. Die Signalspuren sind nur etwa 5 cm lang, durchlaufen jedoch auf dem Weg zu ihrem Ziel jeweils etwa 5 Durchkontaktierungen. Das Board hat nur 2 Schichten, weshalb sich auf diesen Linien so viele Durchkontaktierungen befinden.

Welche Art von Rauschen kann ich (falls vorhanden) erwarten, wenn ein Leiterplattenwechsel über erfolgt?

Viele gute Informationen in den Antworten. Es wird schwierig sein, nur einen auszuwählen. Angesichts der Tatsache, dass eine Leiterplatte über eine Induktivität von etwa 1,2 nH und eine Kapazität von 0,4 pF einführt, scheint der Konsens zu bestehen, dass die 5 über ein 4-MHz-Signal in keiner signifikanten Weise beeinflussen.

pcb noise via Jeff Wahaus
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Wenn Sie sich die Seitenansicht einer Spur durch ein Via vorstellen, wie würden Sie erwarten, dass diese Form das Signal beeinflusst?
Ratschenfreak
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Ein 4-MHz-SPI-Bus ist heutzutage kaum noch "Hochgeschwindigkeit" - Sie müssen über die Signalintegrität nachdenken, aber eine vernünftige Nutzung sollte kein Problem sein. Sie sollten keine fünf Durchkontaktierungen benötigen, um einen 5-cm-Lauf durchzuführen. Haben Sie einen Autorouter wild laufen lassen? Für Boards, die jemand stellt, der Ihre Frage stellt, sollten Sie wahrscheinlich manuell routen. Das "Rauschen", das Sie messen, ist wahrscheinlich ein Ergebnis Ihrer Messung. Es gibt wahrscheinlich ein Überschwingen und Klingeln, aber es ist nicht klar, dass Sie das messen.
Chris Stratton
Bei Zweischichtplatten gibt es normalerweise keine feste Masseebene, so dass die Spurimpedanz sowieso nicht konstant ist. Durchkontaktierungen machen also wenig Unterschied. Und zumindest verursachen sie kein (erhebliches) Rauschen. Auch 4 MHz ist keine hohe Geschwindigkeit, wie in anderen Kommentaren erwähnt.
TemeV
Betrachten Sie zunächst jeweils über 1 NanoHenry-Induktivität in Reihe mit einer Übertragungsleitung. Dann können Sie dieses Modell verfeinern.
Analogsystemsrf
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@ ChrisStratton Ich stimme Ihnen zu, dass 4 MHz keine hohe Geschwindigkeit ist, da heutzutage hohe Geschwindigkeit kommt. Der Vollständigkeit halber werden viele Probleme mit der Signalintegrität eher durch die Erhöhung der Zeit als durch die Grundfrequenz verursacht. Ein 4-MHz-Takt kann eine Anstiegszeit von 20 ns haben.
Nick Alexeev

Antworten:

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300 mV sind viel für einen 3,3-V-Bus. Durchkontaktierungen verursachen kein Problem, da eine Durchkontaktierung nur einige nH Induktivität hinzufügt. Wenn die Kapazität an beiden Enden niedriger als 100 pF ist und eine so kurze Spur unter 0,1 Ω liegt, würde dies einen RLC-Resonator bei etwa 1 GHz ergeben, und Sie haben gewonnen Ich sehe es nicht.

Übertragungsleitungseffekte machen sich erst bei 50 MHz bemerkbar, daher sollten 4 MHz in Ordnung sein.

Das häufigste Problem bei Zweischichtplatinen ist Gleichtaktrauschen durch falsche Erdung (Verkettung) und Gleichtaktrauschen. Ich würde also zuerst das Erdungssystem im Design betrachten und sicherstellen, dass Ströme kein Gleichtaktrauschen durch kleine Spuren erzeugen, die verkettet sind.

Das andere Problem könnte in der Erdung liegen und dort, wo die Zielfernrohrerdung platziert ist.

Spannungsspitze
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Der SPI-Bus durchläuft einen TXB0108-Pegelumsetzer (5 bis 3,3 V), daher hatte ich erwartet, dass die 3,3 V-Signale ziemlich sauber sind. Das Geräusch, das ich sah, war anscheinend darauf zurückzuführen, wie ich das Zielfernrohr an den Bus angeschlossen hatte. Auf dem SPI-Bus befinden sich 3 Geräte, zwei innerhalb von 2 cm vom Pegelumsetzer und eines in einem Abstand von etwa 5 cm. Das am weitesten entfernte Gerät ist gesockelt, daher habe ich es entfernt, um das Zielfernrohr mithilfe der Sockelstifte zu befestigen. Bei entferntem 3. Gerät hatten die Signale ein erhebliches Rauschen. Ich habe mit dem 3. angeschlossenen Gerät neu gemessen und das Rauschen war deutlich geringer.
Jeff Wahaus
Die Erdung von Oszilloskopen kann ein großes Problem sein. Wenn Sie schneller als 30 MHz + arbeiten, macht sich die Erdungsdrahtinduktivität der Sonde bemerkbar und Sie müssen Maßnahmen ergreifen, um sie so kurz wie möglich zu halten.
Spannungsspitze
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Ich bin ein Neuling, wenn es um Signale mit höherer Geschwindigkeit geht, aber es kommt einfach so vor, dass ich die Signalintegrität untersucht habe, als Sie die Frage gestellt haben. Eine Quelle, auf die ich mich beziehe, ist Right the First Time von Lee Ritchey . Lesen Sie Kapitel 25, Rechtwinklige Biegungen und Durchkontaktierungen: Mögliche Quellen für Reflexionen und andere Probleme .

Ich glaube nicht, dass die Durchkontaktierungen Probleme in Ihrem Design verursachen werden. Hier ist ein Auszug aus der Quelle:

Durchkontaktierungen sind bei Verwendung in Spuren kapazitiv und nicht induktiv. Der Kapazitätswert einer Durchkontaktierung ist klein im Vergleich zur Kapazität einer Spur (3,5 pF / Zoll für 50 Ω). Im Allgemeinen sind Durchkontaktierungen für Signale mit Kantenraten von weniger als 0,3 ns nicht sichtbar.

In diesem Kapitel werden Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlanpassungen der Leiterplattenschicht erörtert. Dies scheint jedoch der Fall zu sein, wenn die Herstellungstoleranzen nicht eingehalten werden.

JYelton
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Das Problem ist nicht, dass der SPI-Takt zu hoch ist (4 MHz). Es könnte 0,1 Hz sein und die Signalflanken würden immer noch klingeln, da es die Flankenrate ist, die die Bandbreite definiert. Typischerweise sind Mikrocontroller-E / A-Pins mäßig stark und können beispielsweise eine kapazitive Last von 30 pF mit einer Anstiegszeit von 4 ns oder eine kapazitive Last von 10 pF mit einer Anstiegszeit von 2,5 ns ansteuern. Dies ist laut STM32F207-Datenblatt stark genug, um 100-120-MHz-Signale von einer MCU zu übertragen.

Was Sie möglicherweise vermissen, ist, dass Sie, wenn Ihre MCU keine einstellbare Pin-Antriebsstärke hat, die Anstiegs- / Abfallzeiten auf ein vernünftiges Niveau verlangsamen können, indem Sie beispielsweise Abschlusswiderstände der Serie 33 Ohm an das Gerät anschließen, das die Pins antreibt. Auf diese Weise benötigen die Kanten weniger Bandbreite und es wird weniger geklingelt. 4-MHz-SPI mit einer Länge von 5 cm sollte kein Problem sein. Überprüfen Sie jedoch, welche Anstiegs- / Abfallzeiten Ihre Chips benötigen, um zu funktionieren.

Ein weiteres Problem ist, dass Ihr Oszilloskop möglicherweise für Signale klingelt, nur weil das Oszilloskop oder die Sonden eine BW-Grenze von 100 MHz haben und die Signalflanken schnell genug sind, um die BW-Grenze von 100 MHz zu überschreiten.

Nur ich
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Die Kantenrate, die ich gemessen habe, liegt bei 300 ns. Es klingelt ein gutes Stück auf der MOSI-Leitung, aber es ist verschwunden, wenn die ansteigende Taktflanke auftritt. Ich könnte wahrscheinlich mit einem 8-MHz-Bustakt davonkommen, aber nicht schneller, ohne dass das Klingeln zum Problem wird.
Jeff Wahaus
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5MHz ist langsam. Die Bandbreite des Signals hängt jedoch von der Anstiegszeit ab.

BW = 0,35 / Tr, also 10 ns = 0,01 us, BW = 0,35 / 0,01 us = 35 MHz

Aber wenn das Signal HDMI- oder CML-Logik war oder nur 1 ns Anstiegszeit, dann;

BW = 350MHz Dann haben wir zwei Faustregeln mehr maximale Pfadlänge, um Reflexionen von Durchkontaktierungen oder langen Spuren zu ignorieren;

1: 1/10 Lambda Die Anstiegszeit von 1 ns verwendet v = c / sqrt (Er)
- die maximale Pfadlänge beträgt 8,5 cm

  1. Anstiegsgeschwindigkeit / 4
    • Die maximale Pfadlänge beträgt 4,5 cm

Verwenden Sie zur besseren Analyse einige Berechnungswerkzeuge wie Saturn PCB.exe oder Analysewerkzeuge, die ESL, ESR, C (pf) Ihrer Via-Induktivität und -Kapazität in einem Modell verwenden, um das Ergebnis mit der Treiberimpedanz VOl / Iol = Ron zu sehen.

Dann modellieren Sie in Ihren Lieblingssimulator. Meins ist Falstad

Ihre Ergebnisse sind NUR so gut wie Ihre Modellwerte, da FALSTAD ideale Spannungsquellen verwendet und Drähte ideal sind. Sie fügen also R-, L- und C-Werte hinzu, die Ihrem Modell entsprechen.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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