Autor Tema: Length tuning y vias  (Leído 1679 veces)

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #30 en: 15 de Febrero de 2019, 08:20:32 »
En las fotos que adjuntas efectivamente se han apañado para hacerlo trabajar bien con solo dos capas, imagino que también tendrán bien conocidas las tolerancias de impedancia que pueden tener, no es mala idea que intentes copiarlo lo más parecido posible y respetar todo lo que puedas los planos de masa dándoles la mayor continuidad posible, incluso haciéndolo un poco más grande con el fin de separar un poco mas y arriesgar menos pero no se cuanto te será posible aumentar espacios en esa placa :(
Estaré atento al tema a ver cómo termina ;)

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #31 en: 15 de Febrero de 2019, 13:44:55 »
Hola Planeta,

si vas a diseñar placas de este tipo, hay unos cuantos conceptos que hay que entender para no tener problemas, mira si encuentras por internet este libro: https://www.amazon.es/Signal-Power-Integrity-Simplified-Semiconductor/dp/0132349795/ antes de comprarlo buscarlo, porque lo mismo no te resulta útil, a mi si me ayudo bastante a comprender todos estos temas.

Cuando la frecuencia de una señal es alta, un conductor no es un simple trazo de cobre con una resistencia, ese conductor también tiene una inductancia, capacitancia y tiempo de propagación que hay que considerar.

El tiempo de propagación es lo que comentas en el origen del hilo, todas las pistas han de tener la misma longitud para que la señal llegue al mismo tiempo a os dispositivos, hasta aquí no hay problema y es fácil de entender. 166 MHz es una frecuencia baja, por lo que aunque haya alguna pequeña difetencia entre la longitud de los conductores va a funcionar sin problemas, el fabricante suele especificar estos tiempos/diferencias en los datasheet o notas de diseño.

Luego otro tema es la resistencia, capacitancia e inductancia de la pista, que forman la impedancia del conductor. Para que no haya una señal con ruido, no haya rebotes de señal, no puede haber cambios de impedancia a lo largo del conductor, y la impedancia de la fuente deber ser la misma que la del receptor, si no lo es, puede tener un rebote o deformación de la señal. Para paliar estos efectos se suelen añadir resistencias de terminación, como las que comentas, estas resistencias se pueden poner en varios lugares y de distintas formas, y con esas resistencias disminuyes esos rebotes o deformaciones de la señal, "adaptando" las impedancias.

Una vía por ejemplo en un conductor, es un cambio de impedancia en ese conductor, por lo que a frecuencias muy altas las vías pueden dar problemas, y hay que tener varias consideraciones a la hora de usarlas.

La impedancia de un conductor, la define el ancho del conductor y su distancia a un plano (continuo) de alimentación, cuanto más lejano esté el plano del conductor, mayor tendrá que ser el ancho de la pista para tener una impedancia deseada de pista (por ejemplo 50 ohmios), por eso en un PCB de 2 capas, donde el plano de tierra va a estar a 1-1.6 mm del conductor, hacer una pista de 50 ohmios de impedancia, a lo mejor requiere un grosor de pista de 5 mm, lo que es inviable, y de ahí la necesidad de tener un PCB de 4 capas.

El plano de tierra bajo el conductor ha de ser continuo, si tiene cortes a lo largo del trazado de la pista, pues ese corte significará un cambio de impedancia. Todos los cambios de impedancia van a ser rebotes de la señal y ruido.

En 166 MHz, más que esa frecuencia de 166 MHz, el ancho de banda (frecuencia de la señal) lo va a definir el tiempo de subida y de bajada de la señal, si el tiempo de subida y de bajada son muy rápidos, tu señal va a tener componentes mucho mayores a 166 MHz, cuanto mayor sea la frecuencia más importancia tiene el tema de tener las impedancia correctas en tu pistas o añadir las resistencias de terminación. Por eso si en el microcontrolador puedes configurar el drive strenght, cuanto menor sea más lentos van a ser los tiempos de subida y de bajada de las señales, y por tanto menos te va a afectar tener las impedancias en las pistas incorrectas, o que no hayas resistencias de terminación, etc..

Luego otro tema es el crosstalk en los conductores, cuando tienes dos conductores muy juntos en paralelo, y en uno de ellos hay cambios rápidos de corriente o de tensión, ese conductor provoca ruido en el conductor cercano que va en paralelo con él. Para reducir el crosstalk lo ideal es aumentar la separación entre los conductores que van en paralelo todo lo que se pueda, por ejmplo, si un conductor tiene un ancho de W, una buena práctica para reducir el posible ruido es dejar una separación de 2W. Luego también se pueden apantallar metiendo tierra con vías entre ellos, etc.. El crosstalk también será menor cuanto más cerca esté el plano de alimentación (plano de referencia) de la señal, es decir en 4 layers será mucho menor que en 2.

Pero vamos, que todo esto depende de la frecuencia, de la longitud de pistas, y de un montón de casos más.

En tu caso la frecuencia no es muy alta, por lo que con tener longitudes de pistas con poca diferencia (dentro de unos límites) y si pones al mínimo que puedas el drive strenght minimizarás el ruído (crosstalk) o los rebotes, la pista tiene una capacitancia parásita, por lo que si la capacida de la salida de dar corriente mediante su driver strenght es menor, la señal tardará más es subir o bajar y por tanto minimizas esos tiempos de subida. Y en un PCB de dos caras quizás te funcione, aunque tenga ruido/rebotes/emisones.

Cuando tienes que hacer estas cosas con impedancia controladas, lo mínimo es un PCB de 4 capas, donde vas a tener un plano de alimentación (da igual que sea tierra o vcc) a 0.2 mm de la señal, y te permite hacer pistas con impedancia controlada y con un grosor razonable de 5-6 mil, mientras que si son dos capas te irías a 50-60 mil para conseguir la misma impedancia.

Luego recuerda el problema que tuvistes con el tema de las certificaciones, en este tipo de PCBs donde vas a tener frecuencias altas, como no te vayas a un PCB mínimo de 4 capas pues va a ser imposible pasar la certificación, a no ser que sea una persona totalmente experta en el diseño de PCB que sepa muy bien lo que hace.

Echalé un vistazo al libro a ver si lo ves en internet, lo leí hace unos años y me gusto, lo tengo que volver a releer (ya que todo lo que leo se me olvida  :( ), creo que el año pasado salió una edición más nueva.

Edito: hace unos meses subí esto al blog: http://jmnelectronics.com/archives/1317 donde mencionaba un poco de estos temas, y la ventja de tener 4 capas frente a 2, pero el diseño de PCBs. Y cuando hay normativa o frecuencias altas, hay que tener en cuenta bastantes cosas a la hora de dibujar el PCB.

Edito algunos comentariosn que leo: no es lo mismo tener un plano de tierra al lado en la misma capa para la impedancia, que tenerlo justo debajo en otra capa inferior, la geometría es totalmente distinta. Los planos de tierra en la misma capa entre pista se suelen poner para apantallarlas del crosstalk, no para mantener ninguna impedancia.

Pero vamos, por aquí hay otras personas que tienen más experiencia que yo en este tipo de diseño, y sabrán decirte mejor que yo o corregirme si algo que te he dicho no es correcto (yo no soy experto).

« Última modificación: 15 de Febrero de 2019, 14:25:27 por Jorge555 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #32 en: 16 de Febrero de 2019, 03:24:23 »
 
Gracias Jorge, le echaré un ojo al libro, aunque es un poco caro, y me parece que no le voy a sacar rendimiento. Tengo una copia en PDF de la segunda edición, no se si es el mismo.

Sobre el plano de tierra con respecto a la pista y el cálculo de su impedancia, parece que siempre está referido a que el plano de tierra esté bajo la pista. ¿ Que ocurre si el plano de tierra está alrededor de la pista ?. En esta placa de NXP parece que se cuidan bastante de que estas pistas de señales tengan masa a su alrededor, ya que no es posible asegurar un plano de tierra continuo bajo las pistas.

Una cosa que se me ocurre, si no me funciona bien, aunque creo que copiando el diseño de NXP debería de funcionar, es crear una placa pequeña a 4 capas con el micro y la SDRAM con "castellated holes", y soldarla a la placa principal que sería de 2 capas, y mucho más grande. Así saldría a un precio razonable, aunque es más trabajo porque habría que hacer esas soldaduras a mano (creo). No puedo hacer un placa de 380 x 130mm a 4 capas, eso me dispararía el coste del producto una barbaridad.

En este diseño no tengo que certificar nada, por ahora ese tema no lo tengo en consideración, el caso que tuve era por un diseño a medida para un cliente, que si lo tenía que certificar con el tema de las emisiones.

Una duda.
Haciendo una placa pequeña a 4 capas, solo con el micro y la SDRAM, y luego soldada a la placa principal con "castellated holes", ¿ como distribuyo los buses ?. Tal como está ahora, uno de los buses está en la cara TOP, bien, si los planos internos son masa y alimentación, bajo este bus si que tendría el plano de tierra y el tema de la impedancia estaría resuelto. ¿ Pero que pasa con las pistas del otro bus que van por la cara Bottom, este tendría como plano interno, más cercano, el de positivo de alimentación a 3.3v, no el de masa, ¿ es lo mismo, sirve igual para la impedancia ?. También ahora que lo pienso, al soldar está placa a la principal, tendría el plano de tierra de la placa principal, pegado a las pistas del bus de la cara bottom de la  placa pequeña, no se si eso es bueno o malo para el control de la impedancia.
« Última modificación: 16 de Febrero de 2019, 03:36:07 por planeta9999 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #33 en: 16 de Febrero de 2019, 18:11:00 »
Si, es el mismo libro, si lo tienes en .pdf ahí ya ves su contenido y lo que te puede interesar, todos estos temas los explica, aunque hay que leer bastante.

La impedancia es referido al plano de tierra (o de alimentación) que está bajo la pista. Cuando ves un plano de tierra alrededor de una pista, o entre pistas, cosido por vías, no es para mantener ninguna impedancia si no para evitar el ruido, que esa pista pueda meter en pistas cercanas, o al revés, que pistas cercanas puedan meter en esa pista. Se denominan "guard traces" para evitar el crosstalk.

Si haces un PCB a 4 capas y lo sueldas sobre otro PCB, y no hay separación alguna, las pistas de uno se pueden molestar con las del otro, al no haber separación, sólo tienes las máscaras de soldadura entre ellos. Al igual que también afectará el plano que haya sobre el otro PCB si queda junto a la pista.

Más que usar "castellated holes" yo usaría un conector (tira de pines SMD o DIP), y pincharía la placa pequeña encima de la grande, de esta forma tienes una separación de la altura de los conectores (varios mm), y no se van a afectar los PCBs por lsa distancia.

Para determinar la impedancia más que en planos de tierra, tienes que pensar en el plano de retorno de la corriente.

Cuando la frecuencia es alta, la impedancia entre los planos de alimentación y tierra es baja, debido a los condensadores de desacoplo del circuito (a alta frecuencia la resistencia/impedancia de un condensador es baja) y a la capacitancia entre ambos planos (en función de su tamaño, dieléctrico y su distancia), en este caso si el PCB lo haces de 0.8 mm en lugar de 1.6 mm, pues mayor será la capacitancia entre los dos planos (más cerca estarán) y menor su impedancia a alta frecuencia.

Si la frecuencia es alta (o a mayor frecuencia) el camino de retorno de la señal es el de menor inductancia, que es el camino que está justo debajo de la señal en el plano de referencia sobre el que está la señal (siempre que haya un plano), por lo que la corriente va a volver por ese plano, y aunque sea un plano de alimentación (3V3, 1V8, 5V) también puede ser usado como un plano de baja inductancia por el que retorna la señal de "alta frecuencia", ya que la impedancia entre GND y Alimentación es baja a frecuencia alta y la señal de retorno a esa frecuencia alta puede cambiar de un plano a otro con facilidad.

Yo siempre he tirado las señales de impedancia controlada sobre cualquiera de los dos planos (tierra o alimentación), preocupandome de desacoplar bien los planos, y siempre dejo una capa del PCB entera de tierra y otra de alimentación en 4 layers.

En la zona donde tengas vías, cambios de planos de señales con impedancia controlada, mete condensadores de desacoplo cerca, ya que ayudará a que la corriente de retorno cambie de un plano de retorno al otro, reduciendo el camino para el cambio de plano de retorno que tiene que hacer en el PCB.

No sé, todo esto te hablo de memoria, hace años que me miré estos temas y la verdad que tengo que darle un buen repaso a un par de libros porque ya no me acuerdo de muchas cosas, y simplemente sigo las reglas simples que recuerdo.

De todas formas, antesd de hacer nada espera a ver si te responde alguien que sepa más que yo a esa pregunta, de por qué da igual usar el plano de Vcc que GND para tener una señal con impedancia controlada sobre él, no sea que me equivoque y lleve todos estos años haciendolo mal   :oops:

De todas formas, si puedes preguntar esto en el foro de eevblog, que hay bastante gente que entiende de esto, así salimos los dos de dudas que si luego funciona mal no quiero el 100% de las culpas  :D
« Última modificación: 16 de Febrero de 2019, 18:25:16 por Jorge555 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #34 en: 16 de Febrero de 2019, 18:43:36 »
Mirate esto: https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-094.pdf

Citar
Note that the figures below use the term "ground plane". It should be understood that this plane is in fact a large area, low impedance reference plane. In practice it may actually be either a ground plane or a power plane, both of which are assumed to be at zero ac potential

Desconectado planeta9999

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #35 en: 16 de Febrero de 2019, 19:22:43 »
 
OK, de momento me llega el Lunes, la placa que hice, la probaré a ver si tengo suerte y funciona. Ya estoy haciendo las modificaciones para la siguiente tirada del PCB, con el mismo diseño de la placa de NXP en las pistas de la SDRAM, si a ellos a 2 capas les funciona, y lo hago igual, me debería de funcionar también a mi.

Lo único que es una castaña es tener que meter tantas resistencias de terminación, menos mal que lo monta todo la Pick and Place, porque tener que poner todo eso a mano, montando un montón de placas, es una paliza.

Lo de montar el micro en otro placa más pequeña, es algo que tenía pensado hace tiempo, pero no por temas de impedancias, sino para hacer que el producto se pueda actualizar a un procesador más potente en el futuro, simplemente cambiado la pequeña placa que lleva el micro, pero eso se tiene que pinchar con tiras de pines. Por otra parte me complica la producción, casi prefiero seguir como estoy, todo en una gran placa.

« Última modificación: 16 de Febrero de 2019, 19:26:41 por planeta9999 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #36 en: 17 de Febrero de 2019, 06:07:40 »
 
He estado mirando el diseño de Martin Ribelotta, con el mismo microcontrolador y SDRAM. Hecho a 2 caras y sin resistencias de terminación, todos los buses están por la cara top. Me parece que no lo ha montado y probado todavía, por la falta del microcontrolador. También veo tramos con pistas muy juntas, yo diría que pistas de 6mil con 6mil de separación.

https://github.com/martinribelotta/imxrt1020-module

Cuando monté mi placa esta semana entrante, saldré de dudas, si funciona o no, aunque ya tengo hechas modificaciones para la siguiente tirada de PCB.


Este es el diseño del PCB de Martin.

« Última modificación: 17 de Febrero de 2019, 06:11:28 por planeta9999 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #37 en: 22 de Abril de 2019, 13:51:41 »
Funcionó la placa según la tenías?

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #38 en: 22 de Abril de 2019, 18:14:52 »
 

No la he montado todavía, tengo tres proyectos atascados, este es uno de ellos. La placa tiene buen aspecto, pero está por probar.




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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #39 en: 22 de Abril de 2019, 20:02:56 »
Si la pruebas no te olvides de contarnos.

El acabado es HASL? no se aprecia bien, parece plateado.

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #40 en: 22 de Abril de 2019, 23:46:01 »

Si, es plateado, HASL con plomo, lo que hace JLCPCB por defecto.

En este PCB uso por primera vez todos los pasivos en 0402, así pruebo que tal va la pick and place con este tamaño. En teoría puede montar hasta 0201, pero por ahora lo estaba haciendo todo con 1206.

También he puesto cuarzos SMD super enanos de 3.2 x 2.5mm. Estos ya los tengo probados en otra placa y me los pone y funcionan perfectos.

Voy reduciendo todo de tamaño, gracias a la pick and place.

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #41 en: 23 de Abril de 2019, 09:35:32 »
Para ICs de paso pequeño se suele recomendar un acabado ENIG, ya que los pads son más planos, en HASL los pads pueden tener pequeñas elevaciones debido al proceso de depositar el acabado sobre el cobre. 

Eso es lo recomendable, en la práctica a la hora de montarlas no sé si dará algún problema (muy rara vez) de que algún pin no conecte con el pad.

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #42 en: 23 de Abril de 2019, 13:33:57 »
Para ICs de paso pequeño se suele recomendar un acabado ENIG, ya que los pads son más planos, en HASL los pads pueden tener pequeñas elevaciones debido al proceso de depositar el acabado sobre el cobre. 

Eso es lo recomendable, en la práctica a la hora de montarlas no sé si dará algún problema (muy rara vez) de que algún pin no conecte con el pad.


Monto LQFP144 con HASL de siempre, y no me ha dado ningún problema. Si alguna vez un pin no ha soldado, es porque no le ha caído suficiente pasta al pad o porque algunos pines del chip estaban más separados, y un lado se ha quedado al aire sin tocar los pines con los pad, pero eso me ha pasado muy pocas veces y no ha sido culpa del PCB.

En general con los Kinetis el formateado de los pines está muy bien, es mucho peor en los STM32. Los RT1020 también se ven muy bien acabados.
« Última modificación: 23 de Abril de 2019, 13:39:28 por planeta9999 »

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Re:Length tuning y vias
« Respuesta #43 en: 08 de Mayo de 2019, 11:41:47 »
Lectura muy recomendable para los pcbs de 2 layers: https://www.signalintegrityjournal.com/blogs/12-fundamentals/post/1207-seven-habits-of-successful-2-layer-board-designers

Interesante lo que dice de usar solo un valor de condensador de desacoplo, eso tengo que consultarlo, el autor del artículo es muy bueno en el tema.
« Última modificación: 08 de Mayo de 2019, 11:58:25 por Jorge555 »