Enrutamiento de 30 MHz a través de varias tarjetas

30 MHz es suficiente para que necesite tratar la señal como un problema de la línea de transmisión. Deberá prestar atención al diseño de la placa en todo el diseño, incluidos los conectores y especialmente en ellos. Deberá traer pines de tierra adicionales junto con su señal de 30 MHz, o posiblemente usar conectores especiales.

Necesitará información sobre el diseño de su placa, el número de capas, y es posible que necesite coordinar con el fabricante de su placa para que puedan identificar una impedancia característica específica para usted, o simplemente para obtener parámetros como el dieléctrico constantes.

Suena como si estuvieras al tanto de muchos de estos problemas, pero pensé que era mejor abordarlos, porque si no tienes cuidado, puedes obtener un diseño funcional pero que emita mucha RF y nunca lo haga. pasar por una prueba de EMI.

Pautas para enrutar la señal:

• Calcule la impedancia y el ancho de traza.
• Encamina tus relojes primero.
• Si es posible, nunca enrute la señal a través de una vía. Si es necesario, coloque los condensadores de derivación cerca de la vía.
• Si es posible / aplicable, direccione la señal a través de una capa interna (de modo que los planos de tierra y energía externos puedan funcionar como una especie de jaula de Faraday). En este caso, la señal debe enrutarse en una capa, excepto las vías que necesita para acceder a los chips.
• La señal nunca va a ninguna parte sin un plano de tierra (o, estrictamente, un plano de referencia).
• La señal nunca cruza un límite entre los planos de poder.
• Al pasar por un conector, rodéalo de motivos.
• En una cadena de margaritas, diríjase directamente a las entradas del reloj sin usar apéndices, si es posible.
• Cruzarotrasseñalesenunaperpendicular.
• Siotrasseñalesdebenviajarconél,délesautorización.Cuatroveceselanchodelatraza.
• Uselaterminaciónparalelaatierraconunaresistenciaigualalaimpedanciacaracterísticadelalíneadetiras/líneadebanda,olaterminacióndelafuentesilaseñalsolotieneundestino.Paraunadiscusión,consulte esta pregunta relacionada .

Por supuesto, en un diseño del mundo real, es posible que tengas que romper algunas de esas pautas.

La mayoría de estas reglas se basan en la observación de que en las frecuencias altas, la corriente de retorno intentará viajar cerca de la señal, por lo que debe proporcionar una ruta para la corriente de retorno. Si la corriente de retorno está separada físicamente, está creando una antena parásita. El plano de tierra (o potencia) que proporciona una ruta para la corriente de retorno se denomina referencia. No dejes el plano de referencia. Si tiene que pasar por una vía, el plano de referencia cambia. El condensador de derivación se establece entre los planos de referencia nuevos y antiguos.

Sus conectores plantearán un problema, ya que probablemente tendrán una impedancia diferente de la PCB, por lo que causarán reflejos y degradarán la señal. Una opción puede ser usar un conector controlado por impedancia que coincida con la impedancia de la placa.

En el lado del firmware, es posible que tenga que experimentar con la fuerza de la unidad para controlar la tasa de borde. La fuerza máxima de conducción es a menudo la respuesta incorrecta Su proveedor de circuitos integrados debería poder proporcionar un modelo IBIS , con el que puede simular el circuito para estimar la integridad de la señal. Estrictamente hablando, no es la frecuencia de reloj la que causa la integridad de la señal o los problemas de EMC, sino la velocidad de borde (el tiempo para la transición entre alto y bajo) porque los bordes rápidos se manifiestan como transitorios de banda ancha en el dominio de la frecuencia. La reducción de la fuerza de accionamiento y / o la velocidad de giro reducirá la velocidad de borde y reducirá las emisiones de armónicos, mientras que (probablemente) aumentará la vibración del reloj. Verifique las hojas de datos para ver cuál es la tasa de borde aceptable para los receptores del reloj.

Mi opinión es que si haces tu tarea, probablemente no necesitarás ningún tipo de repetidor de señal. Considere SCSI, por ejemplo, que es un enorme bus paralelo de alta velocidad distribuido por cables a aproximadamente 100 MHz. Si es posible, considere invertir en un programa como HyperLynx para simular su diseño.

Altera tiene una excelente guía para problemas de enrutamiento de alta velocidad.

No te va a hacer daño hacer todas las cosas que jbarlow y David sugieren, pero déjame intentar hacerte las cosas un poco más fáciles (o tal vez más difíciles, porque voy a decir que probablemente puedas escapar) con muchas cosas, pero no voy a prometer ).

Una regla empírica clásica es que puede considerar que un circuito es un circuito concentrado si ninguna de sus dimensiones es más larga que 1/10 de la longitud de onda de la señal de mayor frecuencia de interés. Si se trata de un circuito concentrado, puede considerar sus pistas como simples conexiones entre elementos discretos. Si no es un circuito concentrado, debe preocuparse por los efectos del circuito distribuido y considerar sus trazas como líneas de transmisión.

Estás hablando de una frecuencia de reloj de 30 MHz, correspondiente a una longitud de onda de 10 m. Si se propaga a través de FR4, esta longitud de onda se reducirá a aproximadamente 4,7 m. Y una longitud de circuito de 40 cm. Entonces, para lo fundamental de la señal del reloj, está justo al borde de la vieja regla de oro.

Problema: no solo tiene que preocuparse por la frecuencia del reloj, sino por la cantidad de armónicos de esa frecuencia que deben transmitirse para obtener el tiempo de subida y bajada que desee. Si retrasas deliberadamente los bordes que transmites probablemente puedas arreglártelas solo con los armónicos 1º y 3º (David aludió a esto cuando mencionó que no necesariamente utiliza la fuerza máxima de la unidad).

Esto le proporciona una frecuencia de interés máxima de 90 MHz y la longitud de onda correspondiente (en FR4) de aproximadamente 1,6 m. Así que la distancia crítica es de 16 cm. Eso significa que, en general, desea proporcionar una ruta de retorno estrechamente acoplada, definir sus pistas como líneas de transmisión y terminar con una impedancia apropiada, etc.

Pero probablemente no tenga que pagar extra por la impedancia controlada. Si diseña con trazas por encima del ancho mínimo disponible de su proveedor (por ejemplo, 8 o 10 mil), lo más probable es que las tolerancias normales le den un rendimiento adecuado.

Y si en el camino tiene que atravesar una vía, o sobrepasar un corto espacio en el plano de tierra, o no puede colocar un capacitor de derivación justo al lado de una parte de carga, no lo sude demasiado. . Si quieres correr tus pistas directamente de conector a conector, con un trozo de unos pocos cm para alcanzar los chips de carga en cada placa, estará bien. Si la longitud de la parte no controlada de la ruta (o la ranura en el plano del suelo) es inferior a unos pocos centímetros, no arruinará su día. Incluso si es de 10 cm, es probable que te salgas con la tuya, pero no empujes tu suerte.

Por ejemplo, esto significa que cuando se conecta entre placas, no es necesario un conector controlado por impedancia de alto costo. Incluso un par de centímetros de cable plano estará bien. Una buena idea es una línea de señal de tierra o una señal de tierra de señal de tierra de los cables en la cinta, pero no se preocupe por los cables de par trenzado o cable coaxial con la misma impedancia.

Por otro lado, si decide usar un búfer en cada placa, eso le permitirá tratar el circuito de cada placa (a una longitud de 10 cm) como un circuito concentrado. Tal como lo describió David, querrá administrar la inclinación del búfer, y tendrá que limitar los tiempos de subida y bajada de cada búfer, pero obtendrá una gran flexibilidad en el diseño de cada tablero sin degradar la funcionalidad. Dicho esto, cuanto más haga para mantener sus rutas de retorno cerca de sus trazas de señal, menos probabilidades tendrá de tener una sorpresa desagradable cuando se trata de pruebas de EMC.

Creo que la respuesta de @jbarlow es bastante acertada. Quiero agregarle algo, pero no me molestaré en repetir lo que ha dicho.

Lo único con lo que no estaría de acuerdo con @jbarlow es el uso de repetidores o el almacenamiento en búfer de todas las señales. Lo que él dice es correcto, "si haces tu tarea ...". Pero ese es el problema, hacer tu tarea. Puede hacerlo, pero necesitará cables y conectores relativamente caros, y entonces solo será "muy difícil".

No parece que la adición de un retraso de 10 ns para amortiguar el reloj en cada PCB sea realmente un problema. Es difícil para mí decirlo con certeza, ya que dejó de lado muchos detalles sobre las otras señales como BLANK y XLAT. Pero incluso si es un problema, siempre puede almacenar TODAS las señales. Todas las compuertas en el 74xx245 tenderán a tener el mismo retardo (o al menos similar), por lo que la sincronización general en el controlador LED seguirá siendo buena.

(Nota: verifique las hojas de datos. Un buen chip incluirá dos números de retardo de propagación diferentes. Uno para una puerta individual y otro para mostrar la diferencia o el retardo en la desviación entre puertas dentro del mismo chip. No tome mi palabra para Todavía tendrá que hacer un análisis de tiempo adecuado.)

Obtener la terminación y la impedancia de las señales entre las PCB es fundamental para hacer que este diseño funcione. Controlar la impedancia en cables multiconductores siempre es difícil, y ejecutar una sola señal a través de varias PCB y cables solo está buscando problemas. Tendrá un cambio en la impedancia en muchos puntos a lo largo de la longitud de la señal, lo que creará problemas de integridad de la señal. El almacenamiento en búfer de todas las señales entre los PCB ayudará a gestionar esto. Al menos las distancias de rastreo y los cambios de impedancia en cada señal se mantendrán al mínimo.

El uso de búferes de retardo cero no es obligatorio, y en realidad podría empeorar las cosas (y ser más caro). Los buffers de retardo cero son realmente bucles de bloqueo de fase (PLL) y requieren un diseño cuidadoso para funcionar perfectamente. En la mayoría de los casos, esto no es un gran problema, pero ciertamente podría ser un problema si su reloj no es perfecto. Sería mejor evitar estos para esta aplicación. Además, un búfer de demora cero no es adecuado para almacenar en búfer nada que no sea un reloj en ejecución continua, por lo que no le ayuda a almacenar otras señales.