¿Cuál es la mejor manera de diseñar una PCB con osciladores de cristal y MCU?

He oído que el circuito del reloj es una fuente de ruido y que el circuito del reloj también es sensible al ruido. Creo que siempre es mejor mantener el circuito del reloj cerca de la MCU y mantener otras rutas o circuitos lejos del circuito del reloj.

En mi diseño, hay muchos cables en una PCB de cuatro capas. El diseño de la MCU ( STM32 ) con cristales se muestra a continuación, sin enrutamiento. La MCU se coloca a la derecha de la imagen y los dos cristales se colocan a la izquierda. Crystal 1, Y1 , es de 32.768 KHz y está ubicado en la esquina superior izquierda. El Crystal 2, Y2 , es de 8 MHz y se coloca debajo de Y1 .

PCB sin enrutamiento

La segunda imagen muestra todo el enrutamiento de esta parte de la PCB. Las delgadas líneas verdes a lo largo de Y1 son responsables de la comunicación entre la MCU y el CPLD. Por estas líneas pasarán señales de hasta 72 MHz. Las líneas verdes gruesas debajo de Y2 conectan el módulo ADC de MCU y las señales analógicas pasarán por estas líneas. Las líneas amarillas gruesas en la esquina inferior izquierda son responsables de la alimentación analógica y la referencia analógica del módulo ADC de la MCU.

Enrutamiento de metales 1 y 2 de PCB

Qué lío es. Me preocupa la funcionalidad de la PCB, especialmente por problemas de EMC. ¿Alguien puede dar algunas sugerencias sobre cómo se puede mejorar el PCB?

electronics.stackexchange.com/a/5608/7036 La publicación muestra el anillo de protección alrededor del xtal. Relacionado, pero probablemente no un duplicado.
¿En qué capa(s) tiene alimentación y conexión a tierra? Realmente ayudaría si pudiera tomar estas imágenes y agregar identificadores de componentes e indicar en la imagen, ya sea con un código de color o texto, a qué se refieren sus palabras. Puedo ver bien los xtals, pero tus palabras hablan de pistas gruesas y no estoy seguro de cuáles son. ¿Cuál es el componente en serie que intercambia los cables xtal? Dos imágenes son un mínimo. No se requiere la primera imagen, no se requiere la última imagen más conocimiento sobre planos terrestres/vcc
@Andyaka, la estructura de mi PCB es SIGNAL-GND-POWER-SIGNAL. Acabo de mencionar la ubicación como pistas gruesas en la esquina inferior izquierda. la próxima vez agregaré algunas flechas a la imagen

Respuestas (2)

Me gustaría intervenir con un poco de perspectiva: realmente no estás lidiando con nada de alta velocidad aquí. Realmente puede hacer lo que quiera en estas frecuencias y obtener una integridad de señal perfectamente fina. Un par de MHz, incluso un par de decenas de MHz, no causarán ningún problema real.

Especialmente en el lado cristalino de las cosas, no tienes que preocuparte por nada. Tuve diseños en los que el cristal se colocó a varias pulgadas de distancia de una MCU, y funcionó bien. Lo probé, parece que el cristal está fuertemente acoplado. El diseño de alta velocidad es de 300 MHz y superior, o alta impedancia desde aproximadamente 100 MHz. Ese es aproximadamente el punto en el que el enrutamiento puede comenzar a causar sesgos de reloj, reflejos y donde las trazas de su PCB ya no se comportarán como elementos resistivos.

En cualquier diseño sensible al ruido, debe tener en cuenta que:

  • Los campos eléctricos y especialmente su tasa de cambio deben minimizarse. Los campos eléctricos son proporcionales al voltaje e inversamente proporcionales a la distancia, por lo que desea maximizar el espacio entre las líneas que oscilan su voltaje rápidamente.
  • Los campos magnéticos deben minimizarse. Los campos magnéticos son proporcionales al tamaño del bucle y la tasa de cambio de la corriente, por lo que desea desacoplar cualquier cosa que tenga una alta tasa de cambio de corriente (conversión de energía, líneas de alimentación IC) con valores de condensador adecuados y desea enrutar las líneas de alimentación lo más cerca posible como sea posible para minimizar el tamaño de los bucles actuales
  • Alta impedancia significa baja inmunidad al ruido. Evite las líneas de alta impedancia y, si las tiene, hágalas lo más insensibles posible al ruido. Protéjalos, protéjalos, pero lo ideal es terminarlos con una baja impedancia para que no tenga que lidiar con eso.
Perdón. pero no alcanzo a entender por qué dices que "Alta impedancia significa bajo ruido". ¿Podrías explicarlo?
La línea de alta impedancia de @JesúsCastañé significa una línea más delgada, en las mismas condiciones, también significa un nivel de voltaje más alto acoplado de otras trazas. puede alterar la lógica de las señales. pero usuario26129. los rastros de los relojes deben usar una línea más delgada para disminuir toda la capacitancia parásita
Alta impedancia significa baja inmunidad al ruido , es decir, es más sensible al ruido. Cualquier campo magnético o eléctrico acoplado en dicha línea tiene más facilidad para perturbar la señal si es de alta impedancia.
@ user26129 pero cuál es la razón de eso. ¿Cuál es la diferencia con una pista de baja impedancia?
Puede modelar la interferencia magnética como una pequeña fuente de corriente (µA o nA) que se agrega a la línea de señal. Cuanto mayor sea la impedancia de la línea, mayor será el voltaje que introduce esta corriente. Lo mismo ocurre con un campo eléctrico: esto provoca que se excite un voltaje que disminuye con la corriente.

Priorice sus líneas de reloj haciendo esto en orden:

  1. Coloque la fuente del reloj y los dispositivos de apoyo
  2. Fuente de reloj envolvente con todos los sumideros de reloj
  3. Coloque cualquier estructura de poder esencial
  4. Pase las redes del reloj primero
  5. Enrutar otras redes de señal al final
  6. Rellene el exceso de área con estructura de poder, etc.

Una de las claves para tener un buen enrutamiento es una buena ubicación de los componentes. Debe aplastar los sumideros del reloj lo más cerca posible de la fuente mientras tiene suficiente espacio para proteger los componentes ruidosos o sensibles. Si termina los primeros dos pasos y no puede avanzar, es posible que deba romper y cambiar la ruta.

Este pedido colocará sus relojes en la prioridad más alta para que sus líneas de reloj sean lo más cortas posible. Las líneas de reloj cortas significan menos EMI entre señales, por lo que mejor integridad y confiabilidad de la señal. Además, las líneas más cortas significan que se necesita impulsar una carga capacitiva más pequeña, lo que resulta en un menor consumo de energía. La única forma de hacer que los diseños de alta velocidad funcionen es priorizando el reloj porque también afecta el tiempo.

Para obtener más información, aquí hay algunas pautas.

¿Cuál es la mejor manera de diseñar una PCB con osciladores de cristal y MCU?
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