Routing des 30-MHz-Takts durch mehrere Karten

Ich verwende den LED-Treiber TLC5945 . Der Mikrocontroller (ich verwende LPC1343 ) muss eine Uhr für den internen PWM-Timer / Zähler bereitstellen. Die maximal zulässige Taktrate wird mit 30 MHz angegeben.

Ich werde mehrere Boards mit TLC5945 Daisychained haben. Die Karten werden über Board-to-Board-Anschlüsse oder kurze Flachbandkabel angeschlossen. Die Breite einer Karte beträgt 10 cm. Ich werde maximal 4 davon in Reihe schalten lassen.

Wahrscheinlich werde ich nicht die vollen 30 MHz verwenden, aber ich möchte es trotzdem richtig machen - wie route / konditioniere ich das Taktsignal, um es intakt zu halten?

Wenn ich einen Puffer wie 74HC245 am Ausgang jeder Karte hinzufüge, bekomme ich nach jedem Puffer eine Verzögerung von 10 ns, das will ich nicht. Sollte ich spezielle "Zero Delay" -Taktpuffer verwenden? Welche Art von Kündigungsschema sollte ich anwenden?

30 MHz reichen aus, um das Signal als Übertragungsleitungsproblem zu behandeln. Sie müssen auf das Platinenlayout im gesamten Design achten, einschließlich und insbesondere an den Anschlüssen. Sie müssen zusätzliche Erdungsstifte zusammen mit Ihrem 30-MHz-Signal mitbringen oder möglicherweise spezielle Anschlüsse verwenden.

Sie benötigen Informationen über das Layout Ihrer Platine, die Anzahl der Schichten und müssen sich möglicherweise mit Ihrem vorgesehenen Platinenhersteller abstimmen, damit diese auf eine bestimmte charakteristische Impedanz für Sie abzielen können, oder nur um Parameter wie Dielektrizitätskonstanten zu erhalten.

Es hört sich so an, als ob Sie sich vieler dieser Probleme bewusst sind, aber ich dachte, es wäre am besten, sie anzusprechen, denn wenn Sie nicht aufpassen, erhalten Sie möglicherweise ein Design, das funktional ist, aber viel HF aussendet und niemals durchkommt EMI-Test.

Richtlinien für die Weiterleitung des Signals:

• Berechnen Sie die Impedanz und die Leiterbahnbreite.
• Routen Sie zuerst Ihre Uhren.
• Wenn möglich, leiten Sie das Signal niemals durch eine Durchkontaktierung. Wenn dies erforderlich ist, platzieren Sie Bypass-Kondensatoren in der Nähe der Durchkontaktierung.
• Wenn möglich / anwendbar, leiten Sie das Signal durch eine interne Schicht (so dass äußere Erdungs- und Leistungsebenen als eine Art Faradayscher Käfig fungieren können). In diesem Fall sollte das Signal auf einer Schicht geleitet werden, mit Ausnahme der Durchkontaktierungen, die für den Zugriff auf Chips erforderlich sind.
• Das Signal geht niemals irgendwo ohne eine Grundebene (oder genau genommen eine Referenzebene).
• Das Signal überschreitet niemals eine Grenze zwischen Leistungsebenen.
• Wenn Sie einen Stecker durchlaufen, umgeben Sie ihn mit Erdung.
• Routen Sie in einer Daisy Chain nach Möglichkeit direkt zu den Takteingängen, ohne Stubs zu verwenden.
• Kreuzen Sie andere Signale senkrecht.
• Wenn andere Signale mitlaufen müssen, geben Sie ihnen Freigabe. Viermal so breit wie die Spur.
• Verwenden Sie einen parallelen Erdungsabschluss mit einem Widerstand, der der charakteristischen Impedanz des Mikrostreifen / der Streifenleitung entspricht, oder einen Quellenabschluss, wenn das Signal nur ein Ziel hat. Für eine Diskussion siehe diese verwandte Frage .

Natürlich müssen Sie in einem realen Design möglicherweise gegen eine dieser Richtlinien verstoßen.

Die meisten dieser Regeln ergeben sich aus der Beobachtung, dass der Rückstrom bei hohen Frequenzen versucht, sich dem Signal zu nähern, sodass Sie einen Pfad für den Rückstrom angeben müssen. Wenn der Rückstrom physikalisch getrennt ist, erstellen Sie eine parasitäre Antenne. Die Masseebene (oder Leistungsebene!), Die einen Pfad für den Rückstrom bereitstellt, wird als Referenz bezeichnet. Verlassen Sie die Referenzebene nicht. Wenn Sie eine Durchkontaktierung durchlaufen müssen, ändert sich die Referenzebene. Der Bypass-Kondensator wird zwischen der neuen und der alten Referenzebene eingestellt.

Ihre Anschlüsse stellen ein Problem dar, da sie wahrscheinlich eine andere Impedanz als die Leiterplatte haben, sodass sie Reflexionen verursachen und das Signal verschlechtern. Eine Option kann darin bestehen, einen impedanzgesteuerten Anschluss zu verwenden, der der Impedanz der Platine entspricht.

Auf der Firmware-Seite müssen Sie möglicherweise mit der Laufwerksstärke experimentieren, um die Kantenrate zu steuern. Maximale Antriebsstärke ist oft die falsche Antwort. Ihr IC-Anbieter sollte in der Lage sein, ein IBIS- Modell bereitzustellen , mit dem Sie die Schaltung simulieren können, um die Signalintegrität abzuschätzen. Genau genommen ist es nicht die Taktfrequenz, die Signalintegritäts- oder EMV-Probleme verursacht, sondern die Flankenrate (die Zeit bis zum Übergang zwischen hoch und niedrig), da sich schnelle Flanken als Breitbandtransienten im Frequenzbereich manifestieren. Das Verringern der Antriebsstärke und / oder der Anstiegsgeschwindigkeit verringert die Flankenrate und verringert die Oberwellenemissionen, während (wahrscheinlich) der Taktjitter erhöht wird. Überprüfen Sie die Datenblätter, um festzustellen, welche Flankenrate für die Empfänger der Uhr akzeptabel ist.

Ich habe das Gefühl, dass Sie, wenn Sie Ihre Hausaufgaben machen, wahrscheinlich keinen Signal-Repeater benötigen. Stellen Sie sich zum Beispiel SCSI vor, einen riesigen Hochgeschwindigkeits-Parallelbus, der über Kabel mit etwa 100 MHz verteilt ist. Wenn möglich, sollten Sie in ein Programm wie HyperLynx investieren , um Ihr Layout zu simulieren.

Altera hat eine ausgezeichnete Anleitung für Hochgeschwindigkeits-Routing-Probleme.

Es wird dir nicht schaden, all die Dinge zu tun, die jbarlow und David vorschlagen, aber lass mich versuchen, die Dinge ein bisschen einfacher für dich zu machen (oder vielleicht schwieriger, weil ich sagen werde, dass du wahrscheinlich mit viel davonkommen kannst von Dingen, aber ich werde nicht versprechen ).

Eine klassische Faustregel lautet, dass Sie eine Schaltung als konzentrierte Schaltung betrachten können, wenn keine ihrer Abmessungen länger als 1/10 der Wellenlänge des interessierenden Signals mit der höchsten Frequenz ist. Wenn es sich um eine konzentrierte Schaltung handelt, können Sie Ihre Spuren nur als Verbindungen zwischen diskreten Elementen betrachten. Wenn es sich nicht um eine konzentrierte Schaltung handelt, müssen Sie sich über verteilte Schaltungseffekte Gedanken machen und Ihre Spuren als Übertragungsleitungen betrachten.

Sie sprechen von einer Taktfrequenz von 30 MHz, was einer Wellenlänge von 10 m entspricht. Bei Ausbreitung durch FR4 wird diese Wellenlänge auf etwa 4,7 m reduziert. Und eine Schaltungslänge von 40 cm. Für die Grundwelle des Taktsignals befinden Sie sich also direkt am Rand der alten Faustregel.

Problem: Sie müssen sich nicht nur um die Taktfrequenz kümmern, sondern auch, wie viele Harmonische dieser Frequenz übertragen werden müssen, um die gewünschte Anstiegs- und Abfallzeit zu erzielen. Wenn Sie die von Ihnen übertragenen Kanten absichtlich verlangsamen, können Sie wahrscheinlich nur mit der 1. und 3. Harmonischen auskommen (David spielte darauf an, als er erwähnte, dass er nicht unbedingt die maximale Antriebsstärke verwenden muss).

Dies ergibt eine maximale interessierende Frequenz von 90 MHz und eine entsprechende Wellenlänge (in FR4) von etwa 1,6 m. Der kritische Abstand beträgt also 16 cm. Das bedeutet, dass Sie insgesamt einen eng gekoppelten Rückweg bereitstellen, Ihre Spuren als Übertragungsleitungen definieren und mit einer geeigneten Impedanz usw. enden möchten.

Aber Sie müssen wahrscheinlich nicht extra für die kontrollierte Impedanz bezahlen. Wenn Sie mit Spuren entwerfen, die über der von Ihrem Hersteller verfügbaren Mindestbreite (z. B. 8 oder 10 mil) liegen, bieten die normalen Toleranzen höchstwahrscheinlich eine angemessene Leistung.

Und wenn Sie unterwegs eine Durchkontaktierung durchlaufen oder über eine kurze Lücke in der Grundebene laufen müssen oder keinen Bypass-Kondensator direkt neben einem Lastteil platzieren können, schwitzen Sie nicht zu stark. Wenn Sie Ihre Spuren direkt von Stecker zu Stecker führen möchten, mit ein paar cm Stich, um die Lastchips auf jeder Platine zu erreichen, ist dies in Ordnung. Wenn die Länge des unkontrollierten Teils des Pfades (oder des Schlitzes in der Grundebene) weniger als einige cm beträgt, wird dies Ihren Tag nicht ruinieren. Selbst wenn es 10 cm ist, werden Sie wahrscheinlich damit durchkommen, aber schieben Sie Ihr Glück nicht.

Dies bedeutet beispielsweise, dass beim Verbinden zwischen Platinen kein kostenintensiver, impedanzgesteuerter Anschluss erforderlich ist. Sogar ein paar Zentimeter Flachbandkabel sind in Ordnung. Ein Erdungssignal-Erdungs- oder Erdungssignal-Signal-Erdungsmuster von Drähten im Farbband ist eine gute Idee, aber machen Sie sich keine Sorgen über impedanzangepasste Twisted-Pair-Kabel oder Koaxialkabel.

Wenn Sie sich zum anderen für die Verwendung eines Puffers auf jeder Karte entscheiden, können Sie die Schaltung auf jeder Karte (mit einer Länge von 10 cm) so gut wie als konzentrierte Schaltung behandeln. Sie möchten den Pufferversatz verwalten, wie David beschrieben hat, und Sie müssen die Anstiegs- und Abfallzeiten für jeden Puffer begrenzen, aber Sie erhalten viel Flexibilität beim Layout auf jeder Karte, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Je mehr Sie jedoch tun, um Ihre Rückwege nahe an Ihren Signalspuren zu halten, desto unwahrscheinlicher ist es, dass Sie beim EMV-Testen eine böse Überraschung erleben.

Ich denke, dass die Antwort von @ jbarlow ziemlich genau richtig ist. Ich möchte etwas hinzufügen, aber ich werde nicht die Mühe machen, das zu wiederholen, was er gesagt hat.

Das einzige, was ich mit @jbarlow nicht einverstanden wäre, ist die Verwendung von Repeatern oder das Puffern aller Signale. Was er sagt, ist richtig, "wenn Sie Ihre Hausaufgaben machen ...". Aber das ist das Problem, deine Hausaufgaben zu machen. Sie können es tun, aber Sie benötigen relativ teure Kabel und Stecker - und dann wird es nur "wirklich schwierig".

Es scheint nicht, dass das Hinzufügen von 10 ns Verzögerung zum Puffern des Takts auf jeder Leiterplatte wirklich ein Problem ist. Es fällt mir schwer, dies mit Sicherheit zu sagen, da Sie viele Details zu den anderen Signalen wie BLANK und XLAT ausgelassen haben. Aber selbst wenn es ein Problem ist, können Sie immer ALLE Signale puffern. Alle Gates im 74xx245 haben tendenziell die gleiche Verzögerung (oder zumindest eine ähnliche), so dass das Gesamt-Timing am LED-Treiber gut bleibt.

(Hinweis: Überprüfen Sie die Datenblätter. Ein guter Chip listet zwei verschiedene Ausbreitungsverzögerungsnummern auf. Eine für ein einzelnes Gate und eine für den Unterschied oder die Verzögerung der Verzögerung zwischen Gates innerhalb desselben Chips. Nehmen Sie nicht mein Wort dafür. Sie muss noch eine korrekte Timing-Analyse durchführen.)

Das Erhalten der Terminierung und Impedanz der Signale zwischen Leiterplatten ist entscheidend, damit dieses Design funktioniert. Die Steuerung der Impedanz in Mehrleiterkabeln ist immer schwierig, und das Ausführen eines einzelnen Signals durch mehrere Leiterplatten und Kabel ist nur ein Problem. Die Impedanz ändert sich an vielen Stellen entlang der Signallänge, was zu Problemen mit der Signalintegrität führt. Das Puffern aller Signale zwischen Leiterplatten hilft dabei, dies zu verwalten. Zumindest die Spurlängen und Impedanzänderungen bei jedem Signal werden auf ein Minimum beschränkt.

Die Verwendung von Null-Verzögerungspuffern ist nicht erforderlich und könnte die Situation tatsächlich verschlimmern (und verteuern). Null-Verzögerungspuffer sind wirklich Phase-Locked-Loops (PLLs) und erfordern ein sorgfältiges Design, um perfekt zu funktionieren. In den meisten Fällen ist dies keine große Sache, könnte aber sicherlich ein Problem sein, wenn Ihre Uhr nicht perfekt ist. Es ist am besten, diese für diese Anwendung zu vermeiden. Darüber hinaus ist ein Null-Verzögerungspuffer nicht zum Puffern von etwas anderem als einer kontinuierlich laufenden Uhr geeignet. Daher hilft er Ihnen nicht, andere Signale zu puffern.