Können Sie digitale Signale auf einem 2-Lagen-PCB-Design verlegen?

Zweilagige PCBs sind der beste Freund eines Hobbyisten. Sie lassen sich leicht in Ihrer Entwurfssoftware definieren, und das Verlegen der Leitungen ist einfach, wenn die Anzahl der Netze niedrig genug ist. Obwohl ich normalerweise nicht an Projekten arbeite, die nur mit zwei Lagen auskommen, ist es dennoch wichtig zu wissen, wie man diese Platinen richtig verwendet. Wenn Sie clever sind, können Sie diese Platinen sogar verwenden, um einige Hochgeschwindigkeitsschnittstellen zu verlegen.

In diesem Artikel möchte ich einige der wichtigen Regeln für das Design einer zweilagigen PCB betrachten, die eine Hochgeschwindigkeitsserienschnittstelle verwenden wird. Etwas wie USB oder SPI kann problemlos auf einer zweilagigen Leiterplatte realisiert werden, solange einige grundlegende Verlegungsregeln befolgt werden. Was ich unten präsentieren werde, sollte ein Ausgangspunkt für das Verlegen digitaler Signale in einem Layout für eine zweilagige PCB sein.

Ein Punkt, den man beachten sollte: Man sollte nicht mit der Erwartung an ein 2-Lagen-Projekt herangehen, dass diese Platine die EMC-Prüfung bestehen wird. Die Sicherstellung der EMC hängt von vielen Faktoren ab, die sich auf Strom, Erdung, Ihr Gehäuse, welche Komponenten und Schaltungen auf der Platine sind und vielen anderen Faktoren beziehen. Hoffentlich gibt Ihnen das eine gute Einführung, wie Sie den Layout-Routing-Teil einer 2-Lagen-PCB bewältigen können, ohne Signalintegritätsprobleme zu verursachen.

Einsteigen in 2-Lagen-Digitalplatinen

2-Lagen-PCB-Layouts sind interessant, da sie in der Regel die Einstiegsebene für die meisten Designer darstellen. Die meisten Designs, die einen MCU mit moderater Geschwindigkeit (vielleicht 5-10 ns Anstiegszeit), einen gängigen seriellen Bus wie SPI und einfachere Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstellen umfassen, können auf einer 2-Lagen-Platine durchaus funktionieren, solange sie nicht zu dicht sind und Sie einige grundlegende Routing-Regeln nicht brechen. Diese Designs verstoßen jedoch oft gegen viele Regeln der Signalintegrität und erzeugen/empfangen übermäßige EMI. Als Ergebnis könnte die Platine technisch funktionieren, wie Sie es beabsichtigt haben, aber sie könnte niemals die EMC-Prüfung bestehen, sodass Sie sie nicht verkaufen könnten.

Zuerst einmal gibt es einige Punkte, über die man bei einem 2-Lagen-Platinenentwurf, der digitale Signale verwendet, nachdenken sollte:

• Impedanzkontrolle: Benötigen irgendwelche Ihrer Schnittstellen eine Impedanzkontrolle? Falls ja, denken Sie daran, dass es schwierig sein kann, die Anforderungen an die Impedanz bei einer standard PCB Dicke für einzelne Signale zu erfüllen.
• Leiterbahnlänge: Da wir die Anforderungen an die Impedanzkontrolle auf einer 2-Lagen-Platine nicht erfüllen können, müssen wir die Leiterbahnlängen unter einer bestimmten kritischen Länge halten. Einige Schnittstellen sind sehr tolerant gegenüber Impedanz und haben lange kritische Längen, aber Sie müssen eine Längenbegrenzung berechnen.
• Zugang zu Masse: Um niedrige Übersprechen und niedrige EMI in Ihrer digitalen Verdrahtung zu gewährleisten, müssen Sie einen Zugang zu Masse mit einem klaren Rückweg bereitstellen.
• Teile-/Netzzahl: Bei einer 2-Lagen-Platine haben Sie begrenzten Platz für das Routing, daher können Sie nicht zu viele Teile haben. Sobald Sie versuchen, zu viele Teile einzubeziehen und es zu vielen Überschneidungen in Ihrem Routing kommt, müssen Sie zu einer 4-Lagen-Platine wechseln, oder Sie müssen Ihre 2-Lagen-Platine zu groß machen.

Digitale Signale und Impedanz

Bei der Arbeit mit digitaler Logik, insbesondere auf einer 2-Lagen-Platine, ist es wichtig zu beachten, dass nicht alle digitalen Signale eine Impedanzanforderung haben. Manchmal, wenn sie eine haben, können Sie diese verletzen und die Schnittstelle funktioniert trotzdem einwandfrei. Dies ist bei einer 2-Lagen-Platine wichtig, denn wenn Sie nur Mikrostreifen routen möchten, muss die Breite Ihrer Leiterbahnen einen spezifischen Wert haben, um ein Impedanzziel zu erreichen.

Typischerweise sieht das Impedanzziel, das Sie für digitale Signale sehen werden, wie folgt aus:

• Einige Anforderungen an die einseitige Impedanz, bei der das Signal isoliert betrachtet wird
• Einige Anforderungen an die differentielle Impedanz für differentielle Paare, bei denen die Signale zusammen geroutet werden müssen

Nur als Beispiel, betrachten wir eine 2-Lagen-Platine mit einer Standarddicke von 62 mil Kern (Dk = 4,8). Wenn wir das Standard-Impedanzziel von 50 Ohm erreichen wollen, dann müssen wir eine Leiterbahnbreite von fast 110 mil haben! Das ist eine enorme Leiterbahnbreite und viel größer als die Pad-Größe irgendeiner digitalen Komponente, die Sie auf einer echten Platine platzieren würden. Um dies zu bestimmen, habe ich einen Online-Mikrostreifen-Impedanzrechner basierend auf den IPC 2141 Formeln verwendet.

Online-Rechner liefern nicht die genauesten Ergebnisse, aber das obige Ergebnis veranschaulicht einen wichtigen Punkt: Es ist unmöglich, die Impedanzkontrolle für isolierte einseitige Leiterbahnen auf einer 2-Lagen-PCB durchzuführen und zu erwarten, dass alles im Layout passt. Offensichtlich würde dies die Verwendung von DDR für Speicher ausschließen, was einseitige Leiterbahnen mit Hochgeschwindigkeitssignalen und sehr kleinen elektrischen Längen umfasst.

Hier müssen wir eine Längenbegrenzung für Ihre Leiterbahnen festlegen, wenn wir eine kontrollierte Impedanzschnittstelle verwenden. Wenn die vom Signal während seiner Anstiegszeit zurückgelegte Entfernung viel länger ist als die Länge der Leiterbahn, dann spielt die Impedanz der Leiterbahn keine Rolle. In diesem Fall sieht das Signal nur die Impedanz der Last während der Ausbreitung. Die genaue Längenbegrenzung hängt von mehreren Faktoren ab, aber eine sehr konservative Regel ist, eine Leiterbahnlängenbegrenzung von 1/10 der vom Signal zurückgelegten Entfernung festzulegen.

Um ein Beispiel zu geben, verwenden wir die Ausbreitungsverzögerung im obigen Bild mit einem Signal mit einer Anstiegszeit von 5 ns. Im obigen Fall beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa 6,8 Zoll/ns. Das bedeutet also, wenn wir ein Signal mit einer Anstiegszeit von 5 ns haben, dann wird das Signal während seiner Anstiegszeit 34 Zoll zurücklegen, also wäre unsere maximale Leiterbahnlänge 1/10 davon, oder 3,4 Zoll. Wir können tatsächlich etwas weniger konservativ als eine 1/10 Längenbegrenzung sein. Wenn wir eine 1/4 Längenbegrenzung festlegen, hätten wir eine maximale Leiterbahnlänge von 8,5 Zoll, bevor wir anfangen müssen, uns um die Impedanz der Leiterbahnen zu sorgen.

Je nachdem, wie viel Impedanzverletzung Sie am Empfängerende Ihres Kanals tolerieren können, haben Sie definitiv einige Freiheiten, eine 2-Lagen-Platine mit einem typischen digitalen Protokoll zu implementieren, solange die Längen kurz sind.

Was ist mit differentieller Impedanz?

Wie den Lesern sicher bewusst ist, kümmern sich die meisten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen um die differentielle Impedanz, nicht nur um die einseitige Impedanz. Wie wir oben gesehen haben, müsste eine einseitige Leiterbahn unakzeptabel groß sein, um einen 50-Ohm-Impedanzwert zu erreichen, den man in den meisten Spezifikationen sieht. Wie können wir einen differentiellen Impedanzwert auf einer 2-Lagen-Platine erreichen, wenn die Anforderung an die Breite der charakteristischen Impedanzleiterbahn so groß ist?

Einige Schnittstellen können tatsächlich als längenangepasste einseitige Leiterbahnen geroutet werden, oder als eng gekoppelte differentielle Paare! USB ist ein perfektes Beispiel: Das Abschlussschema behandelt jedes Ende des Paares einzeln als einseitige Leiterbahn, also müssen wir immer noch die einseitige Impedanzspezifikation erfüllen. Wie können wir das möglicherweise machen?

In diesem Fall müssen wir einen Rechner verwenden, um die differentielle Impedanz zu ermitteln und dann die zurückgegebene Breite und den Abstandswert nutzen, um sicherzustellen, dass wir die Spezifikation für einseitige Signale erreicht haben. Bei einer 2-Lagen-Platine können wir nicht einfach die oben gefundene Breite nehmen und in einen Rechner für differentielle Impedanz einsetzen. Wenn wir das täten, würden wir feststellen, dass der erforderliche Leiterbahnabstand etwa 10 Zoll beträgt! Offensichtlich ist das nicht praktikabel. In Wirklichkeit, wenn wir die Leiterbahnbreite und den Abstand berechnen, den wir für eine Zielimpedanz benötigen, hätten wir etwas, das näher an 10 mils Breite und 6 mils Abstand für eine koplanare Mikrostreifenanordnung liegt. Das ist viel vernünftiger.

Was das bedeutet ist:

• Die benötigte Leiterbahnbreite in einem differentiellen Paar muss nicht gleich der Leiterbahnbreite sein, die benötigt wird, um die charakteristische Impedanz für eine einzelne Leiterbahn zu erreichen. In einem differentiellen Paar definiert die Breite der einseitigen Leiterbahn die ungerade Modusimpedanz, die die Hälfte Ihres differentiellen Impedanzziels ist. Der Wert der ungeraden Modusimpedanz unterscheidet sich vom Wert der charakteristischen Impedanz.

Dies ist eine wichtige Unterscheidung. Das bedeutet, dass man für eine differentielle Schnittstelle nicht einfach die Leiterbahnbreite für die charakteristische Impedanz, wie oben gezeigt, nehmen und in den Rechner für differentielle Impedanz einsetzen sollte, um einen Abstand zu erhalten. Wenn die Leiterbahnen eines differentiellen Paares eng zusammengebracht werden, verringert die Kopplung zwischen ihnen die Impedanz des einzelnen Signals und führt dazu, dass die erforderliche Leiterbahnbreite selbst auf einer 2-Lagen-Platine kleiner sein muss. Wir werden dies in zwei kommenden Artikeln zu diesem Thema näher besprechen, einschließlich eines Beispiels, bei dem wir uns die Verwendung von USB auf einer 2-Lagen-Platine ansehen.

Einige 2-Lagen-Routing-Richtlinien für digitale Signale

Das Ziel dieser grundlegenden Richtlinien ist es, sicherzustellen, dass Ihr digitales Design möglichst wenig Rauschen aufweist, was angesichts der Struktur einer 2-Lagen-Platine schwierig ist.

1. Platzieren Sie eine Massefläche auf der unteren Lage und dann digitale Komponenten und Routing auf der oberen Lage. Das wird Ihnen nicht bei der Impedanzkontrolle während des Routings helfen, aber Sie sollten dies dennoch tun, um die Rauschkontrolle zu unterstützen und Ihnen einen einfachen Zugang zur Masse durch Vias zu ermöglichen.
2. Verwenden Sie eine feste Leiterbahnbreite für die Verlegung von Strom und Signalen. 8-10 mil Leiterbahnen sind für die Verlegung digitaler Signale völlig ausreichend, und 12-14 mil Vias sind für Signalübergänge zurück zur Masseebene in Ordnung. Strom kann mit Polygonen verlegt werden, wenn Sie mit hohem Strom arbeiten, aber in den meisten Fällen kommen Sie mit breiteren Leiterbahnen aus.
3. Verwenden Sie Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren, um eine stabile Stromversorgung und geringe Masseüberschwinger zu gewährleisten. Zweilagige Platinen können Masseüberschwinger und möglicherweise etwas Rauschen auf den Stromschienen aufweisen, aber Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren werden dieses Rauschen dämpfen.

Im nächsten Teil unserer Serie zu 2-Lagen-Platinen zeige ich, wie man diese Designrichtlinien für USB umsetzen kann, das definitiv als eine Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstelle angesehen werden kann. Wenn Sie mit USB vertraut sind, wissen Sie, dass es sich um eine schnelle Schnittstelle handelt, die oft eine impedanzkontrollierte Verlegung benötigt. Mit den oben gezeigten Richtlinien können Sie jedoch zu einer funktionsfähigen 2-Lagen-Platine gelangen, die diese Schnittstelle nutzt. Beachten Sie nur, dass Sie möglicherweise keine vollständig störungsfreie Platine haben werden, also erwarten Sie nicht, dass dieses Layout automatisch die EMC-Prüfung besteht. Es sollte jedoch als Entwicklungsplatine für Ihren Lieblingsmikrocontroller einwandfrei funktionieren, und Sie könnten Glück haben, wenn Sie Ihre Signale korrekt mit einer konsistenten Masseebene auf der Rückseite verlegen und die Anzahl der Lagenwechsel durch Vias begrenzen.

Wenn Sie eine 2-Lagen-Platine entwerfen müssen, die digitale Signale unterstützen kann, verwenden Sie die PCB-Designwerkzeuge in CircuitMaker. Alle CircuitMaker-Nutzer können Schaltpläne, PCB-Layouts und Fertigungsdokumentationen erstellen, die benötigt werden, um ein Design von der Idee bis zur Produktion zu bringen. Nutzer haben auch Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365 Plattform, wo sie Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern können und Projekte sicher über einen Webbrowser betrachten können.

Beginnen Sie heute mit der Nutzung von CircuitMaker und bleiben Sie gespannt auf das neue CircuitMaker Pro von Altium.