¿A qué frecuencia de reloj los parásitos comienzan a convertirse en un problema para los circuitos digitales?

Todos los circuitos son inherentemente analógicos, incluso digitales. Todos están afectados por efectos de línea de transmisión y parásitos. Si estos efectos serán significativos o no en la forma en que afectan el funcionamiento de su circuito, generalmente depende de la construcción física y la frecuencia de funcionamiento.

Los parásitos son la resistencia 'no deseada', la capacitancia y la inductancia de los componentes. Los cables no son la única fuente de parásitos, todo lo es. Obtiene capacitores y diodos gratis cuando construye transistores, obtiene resistencias e inductores gratis cuando construye cables, obtiene capacitores e inductores acoplados gratis cuando coloca más de 1 cable, obtiene capacitores y resistencias gratis cuando construya inductores, etc., etc. En el caso de una placa de pan, los clips metálicos que sujetan los cables son bastante grandes y están muy cerca uno del otro, por lo que terminará con una cantidad significativa de capacitancia entre filas adyacentes. Cuando esto cause problemas, todo depende de cómo está diseñado su circuito y cómo funciona. Si solo estás construyendo circuitos digitales, probablemente estés bien hasta unos pocos MHz. Pero en algún punto, el acoplamiento de esas capacitancias se va a acoplar a un pin adyacente con la amplitud suficiente para afectar el funcionamiento del circuito. ¿Cuándo ocurrirá esto? Es difícil decirlo en general con una precisión significativa, pero probablemente entre 1 y 100 MHz.

Los efectos de la línea de transmisión son un problema ligeramente diferente, y se reproducen a frecuencias aún más altas. Los efectos de la línea de transmisión resultan de la forma en que las ondas electromagnéticas proyectan los cables. Después de todo, nada viaja más rápido que la velocidad de la luz. Si el cable es lo suficientemente largo como para que la señal cambie más rápido de lo que puede propagarse por el cable, entonces debe preocuparse por los efectos de la línea de transmisión. Bueno, en realidad la regla de oro es más como cables de más de 1/10 o 1/16 de una longitud de onda. Para estos casos, debe utilizar técnicas de diseño de RF adecuadas (impedancia controlada, ajuste de impedancia, etc.). Para un diseño adecuado, el límite generalmente termina siendo una pérdida de alta frecuencia. Lo que generalmente termina siendo unos pocos GHz para la placa de circuito de fibra de vidrio / FR4 normal. Más rápido es posible con sustratos mejores (y más caros).

  

En particular, escucho a mucha gente quejarse de lo "terribles" que son las tablas de pruebas y de cómo tienen "enormes cantidades de inductancia y capacitancia perdidas". Entonces, si estoy conectando puertas lógicas discretas en una placa de pruebas, ¿qué tan rápido puedo esperar que funcionen de manera confiable? ¿Es el objetivo realista de dos dígitos Hz? ¿O estoy limitado a algo por debajo de 2 Hz o algo así?

A esa velocidad tan baja, definitivamente estás bien.

Los parásitos en una placa de prueba sin soldadura se vuelven relevantes en el régimen de MHz. La frecuencia exacta a la que surgirán los problemas dependerá de la calidad de la placa de pruebas y de las familias lógicas y los voltajes en uso, pero, como regla general, el límite superior estará entre 5 y 50 MHz. Las velocidades que estás preguntando son un millón de veces más lentas que esto, por lo que no se verán afectadas. :)

  

Realmente, mi pregunta es ... ¿en qué punto ocurre esto?

Depende del material, pero en lo que respecta a la conmutación, el portador tiene resistencia, inductancia y capacitancia. Todos estos trabajan juntos para limitar la frecuencia y deben tenerse en cuenta en un diseño. El segundo problema es que estos parásitos trabajan juntos para crear una línea de transmisión, después de que ciertas señales de velocidad y distancia obedecen a los efectos de la línea de transmisión. No tengo números exactos, pero en una PCB normal, por lo general, los tiempos de subida y caída comienzan a mostrarse entre 10 y 40 MHz y pueden convertirse en un problema. Después de aproximadamente 100Mhz, el controlador y la traza deben coincidir con la impedancia para evitar reflejos de onda y otros efectos. Si la línea no está diseñada correctamente, actúa como un atenuador y las señales desaparecen, o la señal se refleja y crea un ruido no deseado.

  

En particular, escucho a muchas personas quejarse de cuán "terrible"   Las tablas de pruebas son y cómo tienen "enormes cantidades de inductancia perdida.   y capacitancia ". Así que si estoy conectando puertas lógicas discretas en un   Breadboard, ¿qué tan rápido puedo realmente esperar que funcionen?   ¿seguramente? ¿Es el objetivo realista de dos dígitos Hz? ¿O estoy limitado a   algo por debajo de 2 Hz o algo así?

Pensaría que 5-10 MHz sería el límite superior, hay algunos trucos para que vaya rápido. Un problema con una placa de pruebas es que no hay un plano de tierra y mucha capacitancia e inductancia y resistencia para las corrientes de retorno, mucho más que una PCB.

He tenido diseños de 100Mhz en una tabla de perfilado con cables de soldadura juntos, lo que será una opción mucho mejor con menos capacidad.

Si ve una extraña onda cuadrada que tendrá sus esquinas redondeadas, podría hacer una prueba rápida si tiene un osciloscopio y un generador de forma de onda.

El punto en el que esto sucede (el comportamiento analógico debe tenerse en cuenta) depende del entorno en el que se encuentre. Algunos ejemplos:

En una CPU como Intel Core i7 8086K se ejecuta a 4 GHz (4000 MHz) utilizando un proceso de fabricación de IC de 14 nm. Ese 4 GHz es solo la velocidad dentro del chip . Todos los pines que van al "mundo exterior", las conexiones a la placa base de la PC, se ejecutan a velocidades más bajas.

Por ejemplo, las conexiones a la RAM (DDR4-2666) funcionan a 1.333 GHz. La memoria RAM DDR4 más rápida en este momento que se encuentra en Wikipedia se ejecuta en 1.6 GHz.

Que 1.6 GHz está cerca del límite de señales digitales en una PCB. Sin duda, algunos diseños avanzados pueden ser un poco más altos, piense en 2 a 3 GHz.

En el otro extremo, las puertas lógicas CMOS económicas de la serie 4000 apenas pueden administrar unos pocos MHz. Eso es porque usan tecnologías mucho más antiguas. Hay más versiones modernas de esta "lógica de pegamento" que pueden llegar hasta 50 a 100 MHz.

En una placa de pruebas sin soldadura como esta:

nopuedesesperarquealgofuncioneamásde5MHzomenos.Talvez10MHzsirealmentesabesloqueestáshaciendo.Dehecho,lacapacitanciaparásitaylainductanciadelcable(detodasesasbandasmetálicasdeconexión)deterioranlasseñalesycarganlassalidas,loqueimpidequealcancensuvelocidadmáxima.

Enuntablerodeprototiposcomoeste:

y alguna experiencia podría hacer que las cosas funcionen a 20 MHz, tal vez 50 MHz si sabes lo que estás haciendo.