¿La adición de puntos de prueba puede afectar la calidad de las señales de alta frecuencia?

La capacitancia de una almohadilla de 2 mm cuadrados (sin orificio) sobre un plano de tierra que está 0,3 mm más abajo en la capa inferior (imagine una placa de circuito impreso FR4 de 4 capas) es de 0,236 pF. Si la almohadilla es de doble cara, eso significa alrededor de 0,472 pF y probablemente alrededor de 0,6 pF, incluido el orificio pasante chapado.

Calculadora de condensadores en paralelo .

De acuerdo, una puerta que recibe la señal puede tener una capacitancia de entrada de 3 pF, por lo que hay una degradación pero no una gran cantidad. A 1 GHz, la reactancia es de 265 ohmios, por lo que consume pistas que están diseñadas para tener una impedancia de 50 ohmios, pero no mucho.

He usado puntos de prueba como este en señales digitales de alta velocidad sin ningún problema notable, pero hágalo lo más pequeño posible, como un PTH de 0,4 mm de diámetro y tal vez un área de superficie total de 1 mm cuadrado arriba y abajo. Tal vez deje el cobre en el lado que no se necesita para sondear (para reducir un poco más la capacitancia) si está preocupado.

Depende del tamaño y la construcción del punto de prueba.

Cuando introduce un punto de prueba en una traza, está agregando una discontinuidad de impedancia. Eso puede provocar reflejos de señal y problemas de EMI.

Para casos simples, es posible simular esto sin demasiados problemas y obtener una idea aproximada de cuál es la magnitud probable del problema.

Aquí hay un ejemplo práctico rápido: imagine que tiene una traza de 140 mm en una PCB FR4 con una constante dieléctrica ($\varepsilon_r$) de 4,6, un espesor dieléctrico de 0,2 mm y un espesor de cobre de 0,035 mm. Esto es aproximadamente equivalente a la acumulación controlada de impedancia de 1,6 mm de 4 capas de JLC 7628.

Digamos que buscamos una impedancia característica de 50 Ω, por lo que conectamos estos valores en una calculadora de impedancia de línea de banda y obtenemos 0,32 mm para el ancho de nuestra traza.

El$\varepsilon_r$nos permite calcular el retardo de propagación en la placa. La velocidad de propagación viene dada por:

$$v=\frac c {\sqrt {\varepsilon_r}}$$

dónde$c$es la velocidad de la luz. Esto nos da:

$$v=\frac {3\times10^8} {\sqrt {4.6}} = 139875721ms^{-1}$$

Podemos usar esto para calcular el retraso de propagación para una longitud de seguimiento determinada. Supongamos que estamos colocando un punto de prueba justo en el medio de este trazo, dividiéndolo en dos longitudes de 70 mm. El tiempo es distancia sobre velocidad, por lo que nos da:

$$t = \frac {0.07} {139875721} = 0.5ns$$

Podemos repetir esto para nuestro punto de prueba de 1 mm para determinar cuál es el retraso de propagación a través de él:

$$t = \frac {0.001} {139875721} = 7.15ps$$

Ahora, debido a que el punto de prueba tiene 1 mm de ancho, en lugar de 0,32 mm de ancho como el resto de nuestra traza, tendrá una impedancia característica diferente. Para simplificar, asumo que el punto de prueba consiste únicamente en una ampliación de la traza de cobre, sin otros cambios (por ejemplo, perforación). Podemos conectar los mismos parámetros que antes en una calculadora de impedancia de línea de banda, pero esta vez usando nuestro ancho conocido (1 mm) para calcular la impedancia característica del pad. Esto sale a 22.9Ω.

Aquí está el diseño resultante:

Sin embargo, a esto le falta una variable adicional crítica: la capacitancia adicional del pad. Conectar los parámetros de la placa en una calculadora de capacitancia de almohadilla rectangular nos dice que la capacitancia es de alrededor de 0.6pF.

Podemos conectar esto a una simulación para mostrar el comportamiento con y sin el punto de prueba:

( enlace de simulación )

Establecer la señal de control en L coloca el punto de prueba en la ruta. Establecerlo en H lo elimina de la ruta.

Sin el punto de prueba, todo parece limpio:

No hay reflejos en el transmisor y el tiempo de subida es bueno en el receptor.

Con el punto de prueba en su lugar, comenzamos a ver algunos problemas:

Hay reflejos de señal en el lado del transmisor y los tiempos de subida/bajada en el receptor son más lentos.

Este problema empeora a medida que aumenta el tamaño del punto de prueba: aquí hay una simulación para un pad de 2x2 mm a 1 GHz.

Tenga en cuenta que esta es una simulación muy aproximada del problema. Para obtener números más precisos, realmente necesita un solucionador de campo que pueda simular el diseño y la acumulación exactos de su tablero. Incluso entonces, está sujeto a tolerancias de fabricación y otros factores ambientales.

En cuanto a si los resultados de esta simulación constituyen o no un problema, la tolerancia exacta para los reflejos y la subida/bajada más lenta depende de sus requisitos de diseño específicos. Para frecuencias más altas definitivamente es peor, pero para 100 MHz generalmente tienes bastante holgura.

El Dr. Eric Bogatin, un experto en integridad de señales reconocido en la industria, ideó una regla general (#23) que aborda este escenario. Establece que "Cuando la capacitancia (en femtofaradios) de su discontinuidad es mayor que 10 × el tiempo de subida (en ps), la discontinuidad afectará la señal".

Obviamente, entonces, con una tasa de borde de señal de 10 ps (como algunos han usado en simulaciones), habrá un efecto notable en la señal. Sin embargo, con una tasa de borde más realista de 100 ps, ​​puede soportar una discontinuidad de capacitancia de 1 pf sin una degradación significativa de la señal.

Lo que nos lleva a una buena sugerencia de diseño. No haga sus bordes más rápido de lo necesario. Con la onda cuadrada de 100 MHz establecida por OP, un tiempo de subida y bajada de 100 ps debería ser lo suficientemente rápido, y un tiempo de subida y bajada de 500 ps sería aún más indulgente.