¿A qué frecuencia de reloj necesitan los ingenieros de diseño de PCB comenzar a considerar los problemas de diseño digital de alta velocidad?

Answer 1

No hay una frecuencia específica más allá de la cual los relojes / señales puedan llamarse como de alta frecuencia. Aunque se puede establecer un criterio aproximado como: “ los efectos de alta velocidad / frecuencia comienzan a aparecer cuando los retrasos de la pista de ida y vuelta (es decir, el tiempo para que una señal haga un viaje en dirección hacia adelante y de regreso) han comenzado a exceder los tiempos de subida / caída ( el que sea más pequeño) “.

O en palabras diferentes como: “cuando los retrasos en la pista han comenzado a exceder la mitad del tiempo de subida / caída”. Para estar completamente seguro y libre de efectos de alta velocidad, es mejor limitar las longitudes de la pista para que los retrasos en la pista sean menores a 1 / 6º el tiempo de subida / bajada, siempre que sea posible.

Ejemplo, es mejor limitar la longitud de una traza que lleva una señal de tiempo de subida de 2ns (que se traduce en aproximadamente 12 pulgadas), a 2 pulgadas. El valor de 2 pulgadas se llega de la siguiente manera:

• El retardo de propagación de las señales es de 1ns por 6 pulgadas.
• En 2ns tiempo (el tiempo de subida dado), se propaga 12 pulgadas.
• La mitad de esta longitud es de 6 pulgadas y 1/6 es de 2 pulgadas. Por lo tanto, para un diseño a prueba de fallas, es mejor limitar la longitud de la pista a 2 pulgadas.

La siguiente tabla muestra cómo se hace necesario mantener longitudes de pista mucho más pequeñas a medida que disminuyen los tiempos de subida / bajada:

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Cuando es inevitable tener rastros más largos y violamos el criterio anterior, la solución es usar terminaciones a bordo (generalmente resistencias) colocadas en el camino. Estas resistencias ayudan a igualar la impedancia y la absorción de reflejos, y a reducir el sonido. El timbre se refiere al subimpulso y al rebasamiento observados primero en el destino / carga, es decir, el receptor, y luego en el transmisor para trazas más largas sin terminar.

La siguiente imagen muestra un borde lento y un borde rápido impulsados ​​en una traza de la misma longitud.

Después del doble del retraso de propagación, los reflejos (debido a un receptor terminado incorrectamente) llegan al transmisor y son absorbidos por un borde ascendente lento. Mientras que para un borde rápido, las reflexiones se superponen en el nivel lógico que ya ha comenzado, y pueden llevar a que este nivel lógico se lea incorrectamente en el receptor.

Intenté mostrar en la siguiente imagen un borde lento y un borde rápido conducidos en una pista de la misma longitud:

Answer 2

Solo para agregar a la respuesta de John Haddy, la frecuencia que debe tomar no es la frecuencia real, sino que debe calcularse con respecto al tiempo de subida de la señal y no a la frecuencia real que podría ser menor.
Puede tener una señal de 1MHz con un tiempo de subida de 5ns y actuará como una señal mucho más rápida.

Answer 3

Solo como un punto de referencia para agregar a las excelentes respuestas ya dadas, he realizado muchos diseños de tableros a 33MHz sin ser demasiado cuidadoso, con pocos problemas. Pero definitivamente es justo donde debes tener cuidado.

Por lo tanto, tendemos a usar buenas prácticas de diseño, y pensamos en nuestros topes de derivación para, por ejemplo, un FPGA, y tratamos de mantener cortos los rastros, etc. Pero cuando uso una herramienta como Hyperlynx para ver problemas de integridad de la señal, generalmente encontramos que no necesitamos ninguna terminación especial, blindaje o enrutamiento.

Pero a veces nos han mordido, y estamos siendo más cuidadosos con estas frecuencias que en el pasado.

Así que toma de esto lo que quieras.

Solo recuerda siempre que es la velocidad de borde y no la frecuencia lo que importa. Por lo tanto, puede encontrar un búfer de reloj brillante capaz de hasta 1 GHz en Digikey que decida usar con su reloj de 1 MHz. ¿Adivina qué? Tendrá bordes muy rápidos, y tendrías que tener mucho cuidado con eso.

Answer 4

Probablemente alrededor de 10MHz. Pero tenga en cuenta que un circuito de 10MHz puede producir ruido en el rango de GHz, si va a realizar pruebas EMC (compatibilidad electromagnética), cualquier circuito, no necesariamente digital, podría ser un problema. Para un prototipo de banco, aislado de dispositivos de consumo, probablemente no habrá un problema. Puede obtener una estimación de cuánto margen de seguridad tiene su dispositivo si lo supera a varias temperaturas diferentes (las temperaturas más altas generalmente son peores), pero este método no es bueno para la producción, ya que los chips varían considerablemente entre lotes.

Answer 5

Siempre que la longitud de la traza se convierta en una fracción significativa de una longitud de onda de la señal más rápida.
Como regla general, “fracción significativa” puede tomarse como más de una décima parte; mientras que la “señal más rápida” debe tener en cuenta el tiempo de transición de una señal (típicamente al menos el décimo armónico de la frecuencia fundamental del reloj).
Esto significa que los PCB grandes comienzan a necesitar una consideración de diseño de alta velocidad a frecuencias más bajas que los PCB pequeños, ya que las longitudes de rastreo son mayores.

Answer 6

Hola

Para agregar a las muy buenas respuestas publicadas, encuentro que esta nota de aplicación de TI es útil y fácil de entender. Solo algunos consejos básicos de alta velocidad y diseño 🙂

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/s …

Fuente de crédito: sitio web de Texas Instruments

Answer 7

Idealmente, las pistas de un PCB deberían comportarse como “teletransportadores” perfectos, es decir, una señal que ingresa en un extremo se refleja instantáneamente en el otro. Por ejemplo, se garantiza que un procesador que envía una dirección a una memoria externa tiene los siguientes datos escritos en esa misma dirección.

Cuando la velocidad de conmutación de la señal se aproxima a la velocidad de propagación en la PCB, hay un retraso de transporte: el procesador anterior puede escribir uno lógico, luego volver a cero mientras el borde de avance del pulso aún no ha llegado a la memoria.

Si agregamos la falta de coincidencia de impedancia, la memoria verá una forma de onda aleatoria que es una suma de pulsos válidos e interferencia de reflexiones. En pocas palabras, el PCB agrega aleatoriedad a los datos, que en algunos casos es incluso peor que un circuito abierto.

El peor de los casos es cuando la traza coincide con 1/4 de la longitud de onda de la señal, porque un cero en el procesador se convierte en uno en la memoria. Esto es perfecto en antenas pero un problema en un bus de datos.

La regla general es que la propagación a través de la pista debe ser más rápida que el cambio más rápido en la señal (tiempo de subida / bajada), es decir, la longitud de la pista debe ser más corta que 1/4 de la longitud de onda de la señal.

Answer 8

Vea mi amigo, la diferencia entre cuando una propagación de señal a ser tratada como una “alta velocidad” tiene que ver con si el camino que conecta la fuente y el destino debe modelarse como circuito agrupado o circuito distribuido.

La respuesta a esta pregunta proviene del tiempo de aumento y el tiempo de caída de la señal que viaja en la ruta de la señal y NO de la frecuencia de la señal, por ejemplo, podemos tener un tiempo de aumento de 0.5ns para una onda cuadrada a 10kHz y 10MHz. Lo que importa es el tiempo de subida y bajada y no la frecuencia de la señal.

Comparamos el tiempo de subida / bajada con el retraso de propagación de la ruta de la señal y la relación nos da la respuesta.

Answer 9

Empezaría a pensar en ello para señales de más de 1 MHz. Como alguien dijo, depende en parte del tamaño del tablero y del tiempo de subida de las señales.