Маршрутизация 30 МГц через несколько плат

Я использую светодиодный драйвер TLC5945 . Микроконтроллер (я использую LPC1343 ) должен обеспечить часы для своего внутреннего таймера / счетчика ШИМ. Максимально допустимая тактовая частота указана как 30 МГц.

У меня будет несколько плат с цепочкой TLC5945. Платы будут подключаться через разъемы между платами или короткие ленточные кабели, ширина одной платы составляет 10 см. У меня будет максимум 4 из них, соединенных последовательно.

Вероятно, я не буду использовать полные 30 МГц, но, тем не менее, я хочу сделать это правильно - как мне направить / обработать тактовый сигнал, сохраняя его нетронутым?

Если я добавлю буфер типа 74HC245 на выходе каждой платы, я получу задержку 10 нс после каждого буфера, я этого не хочу. Должен ли я использовать специализированные тактовые буферы с нулевой задержкой? Какую схему завершения я должен использовать?

30 МГц достаточно, чтобы вы восприняли сигнал как проблему с линией передачи. Вам нужно будет обратить внимание на расположение платы по всему дизайну, в том числе и особенно на разъемах. Вам нужно будет принести дополнительные контакты заземления вместе с сигналом 30 МГц или использовать специальные разъемы.

Вам понадобится информация о компоновке вашей платы, количестве слоев, и вам может потребоваться согласовать ее с производителем предполагаемой платы, чтобы они могли ориентироваться на конкретное характеристическое сопротивление для вас или просто получить параметры, такие как диэлектрические постоянные.

Звучит так, будто вы знаете о многих из этих проблем, но я подумал, что лучше их решить, потому что, если вы не будете осторожны, вы можете получить функциональный дизайн, который излучает много радиочастот и никогда не пройдет через EMI тест.

Рекомендации по маршрутизации сигнала:

• Рассчитайте сопротивление и ширину трассы.
• Маршрут ваши часы в первую очередь.
• Если возможно, никогда не направляйте сигнал через канал. Если это необходимо, поместите байпасные конденсаторы рядом с переходником.
• Если возможно / применимо, направьте сигнал через внутренний слой (чтобы внешние плоскости земли и мощности могли функционировать как своего рода клетка Фарадея). В этом случае сигнал должен быть направлен на один уровень, за исключением случаев, когда требуется доступ к микросхемам.
• Сигнал никогда не идет никуда без плоскости земли (или, строго говоря, плоскости отсчета).
• Сигнал никогда не пересекает границу между силовыми плоскостями.
• Проходя через разъем, окружите его заземлением.
• В гирляндной цепочке, если возможно, проложите путь напрямую к входам часов без использования заглушек.
• Пересеките другие сигналы перпендикулярно.
• Если другие сигналы должны распространяться вместе с ним, дайте им разрешение. Четырехкратная ширина следа.
• Используйте параллельное оконечное заземление с сопротивлением, равным характеристическому импедансу микрополосковой / полосовой линии, или исходное оконечное сопротивление, если сигнал имеет только одно назначение. Для обсуждения см. Этот связанный вопрос .

Конечно, в реальном дизайне вам, возможно, придется нарушить некоторые из этих принципов.

Большинство этих правил следуют из наблюдения, что на высоких частотах обратный ток будет пытаться приблизиться к сигналу, поэтому вы должны указать путь для обратного тока. Если обратный ток физически разделен, вы создаете паразитную антенну. Заземленная (или силовая!) Плоскость, которая обеспечивает путь для обратного тока, называется эталонной. Не оставляйте опорную плоскость. Если вам нужно пройти через, базовая плоскость изменится. Обводной конденсатор устанавливается между новой и старой эталонной плоскостями.

Ваши разъемы будут представлять проблему, потому что они, скорее всего, будут иметь другое сопротивление, чем печатная плата, поэтому они будут вызывать отражения и ухудшать сигнал. Одним из вариантов может быть использование разъема с контролируемым сопротивлением, который соответствует сопротивлению платы.

Что касается встроенного программного обеспечения, вам может потребоваться поэкспериментировать с мощностью привода, чтобы контролировать частоту вращения. Максимальная сила привода часто является неправильным ответом. Ваш поставщик IC должен иметь возможность предоставить модель IBIS , с помощью которой вы можете смоделировать схему для оценки целостности сигнала. Строго говоря, не тактовая частота вызывает проблемы с целостностью сигнала или электромагнитной совместимостью, а является частотой фронта (время перехода между высоким и низким), поскольку быстрые фронты проявляются как широкополосные переходные процессы в частотной области. Уменьшение силы привода и / или скорости нарастания приведет к снижению частоты фронта и уменьшению выбросов гармоник, в то же время (вероятно) увеличивая джиттер тактовой частоты. Проверьте таблицы данных, чтобы увидеть, какова приемлемая частота фронта для приемников часов.

Я чувствую, что если вы делаете свою домашнюю работу, вам, вероятно, не понадобится какой-либо повторитель сигнала. Рассмотрим, например, SCSI - огромную высокоскоростную параллельную шину, распределенную по кабелям на частоте около 100 МГц. Если возможно, рассмотрите возможность инвестирования в такую ​​программу, как HyperLynx, чтобы имитировать макет.

У Altera есть отличное руководство по вопросам высокоскоростной маршрутизации.

Вам не повредит делать все то, что предлагают jbarlow и David, но позвольте мне попытаться немного облегчить вам задачу (или, может быть, сложнее, потому что я собираюсь сказать, что вы, вероятно, можете сойти с рук много вещей, но я не собираюсь обещать ).

Классическое эмпирическое правило заключается в том, что цепь можно считать сосредоточенной схемой, если ни одно из ее измерений не превышает 1/10 длины волны интересующего сигнала с самой высокой частотой. Если это сосредоточенная цепь, вы можете рассматривать ваши треки как просто соединения между дискретными элементами. Если это не сосредоточенная цепь, вам нужно беспокоиться о эффектах распределенной цепи и рассматривать ваши следы как линии передачи.

Вы говорите о тактовой частоте 30 МГц, соответствующей длине волны 10 м. При распространении через FR4 эта длина волны будет уменьшена примерно до 4,7 м. И длина цепи 40 см. Таким образом, для основы тактового сигнала вы находитесь на грани старого эмпирического правила.

Проблема: Вам нужно не только беспокоиться о тактовой частоте, но и о том, сколько гармоник этой частоты нужно передать, чтобы дать желаемое время нарастания и спада. Если вы намеренно замедляете передаваемые фронты, вы, вероятно, можете обойтись только с 1-й и 3-й гармониками (Дэвид ссылался на это, когда упомянул, что он не обязательно использует максимальную силу движения).

Это дает максимальную интересующую частоту 90 МГц, а соответствующую длину волны (в FR4) около 1,6 м. Таким образом, критическое расстояние составляет 16 см. Это означает, что в целом вы хотите обеспечить тесно связанный обратный путь, определить ваши дорожки как линии передачи и завершить с соответствующим сопротивлением и т. Д.

Но вам, вероятно, не нужно доплачивать за контролируемое сопротивление. Если вы проектируете с трассами выше минимальной ширины, доступной у вашего поставщика (скажем, 8 или 10 мил), нормальные допуски, скорее всего, дадут вам адекватную производительность.

И если по пути вам придется пройти через переход, или пробежать через короткий промежуток в заземляющей плоскости, или вы не можете поместить обводной конденсатор прямо рядом с нагрузочной частью, не переживайте слишком сильно. Если вы хотите, чтобы ваши треки проходили прямо от разъема к разъему, с помощью нескольких сантиметровых заглушек, чтобы добраться до микросхем нагрузки на каждой плате, все будет в порядке. Если длина неконтролируемой части пути (или щели в плоскости земли) меньше нескольких сантиметров, это не испортит ваш день. Даже если это 10 см, вам, вероятно, это сойдет с рук, но не испытывайте судьбу.

Например, это означает, что при подключении между платами нет необходимости в дорогостоящем контроллере с полным сопротивлением. Даже пара сантиметров ленточного кабеля будет в порядке. Хорошей идеей будет схема заземления, заземления или заземления, проводов на ленте, но не беспокойтесь о кабелях витой пары с согласованным сопротивлением или коаксиальных кабелях.

С другой стороны, если вы решите использовать буфер на каждой плате, это позволит вам в значительной степени рассматривать схему на каждой плате (длиной 10 см) как сосредоточенную схему. Вы захотите управлять перекосом буфера, как описал Дэвид, и вам придется ограничить время нарастания и спада каждого буфера, но вы получите большую гибкость в компоновке на каждой плате без ухудшения функциональности. Тем не менее, чем больше вы делаете для того, чтобы ваши пути возврата были близки к вашим трассам сигналов, тем меньше вероятность того, что у вас возникнет неприятный сюрприз, когда дело доходит до тестирования EMC.

Я думаю, что ответ @ jbarlow довольно точный. Я хочу добавить немного к этому, но я не буду повторять то, что он сказал.

Единственное, с чем я не согласен с @jbarlow - это использование повторителей или буферизация всех сигналов. То, что он говорит, правильно, «если вы делаете свою домашнюю работу ...». Но это проблема, делать домашнее задание. Вы можете сделать это, но вам понадобятся относительно дорогие кабели и разъемы - и тогда это будет только «очень сложно».

Не похоже, что добавление 10 нс задержки для буферизации тактового сигнала на каждой печатной плате действительно является проблемой. Мне трудно сказать наверняка, так как вы упустили много деталей о других сигналах, таких как BLANK и XLAT. Но даже если это проблема, вы всегда можете буферизовать ВСЕ сигналы. Все затворы в 74xx245 будут иметь одинаковую задержку (или, по крайней мере, одинаковую), и поэтому общее время в драйвере светодиода останется хорошим.

(Примечание: проверьте таблицы данных. Хороший чип перечислит два разных числа задержки распространения. Один для отдельного строба, а другой показывает разницу или перекос в задержке между воротами в одном чипе. Не поверьте мне на слово. Вы все равно нужно будет сделать правильный анализ времени.)

Получение прекращения и полного сопротивления сигналов между печатными платами имеет решающее значение для работы этого проекта. Управлять импедансом в многожильных кабелях всегда сложно, и пропуск одного сигнала через несколько печатных плат и кабелей просто вызывает проблемы. Во многих точках вдоль длины сигнала вы будете изменять импеданс, что создаст проблемы с целостностью сигнала. Буферизация всех сигналов между печатными платами поможет справиться с этим. По крайней мере, длина трасс и изменения импеданса для каждого сигнала будут сведены к минимуму.

Использование буферов с нулевой задержкой не требуется, и может фактически ухудшить ситуацию (и подорожать). Буферы с нулевой задержкой действительно являются фазово-замкнутыми циклами (ФАПЧ) и требуют тщательной разработки для идеальной работы. В большинстве случаев это не имеет большого значения, но может быть проблемой, если ваши часы не идеальны. Было бы лучше всего избежать этого для этого приложения. Кроме того, буфер с нулевой задержкой не подходит для буферизации чего-либо, кроме непрерывно работающих часов, поэтому он не помогает буферизовать любые другие сигналы.