Peut-on router des signaux numériques sur une conception de PCB à 2 couches ?

Les PCB à 2 couches sont les meilleurs amis des amateurs. Ils sont faciles à définir dans votre logiciel de conception et le routage est simple si le nombre de connexions est suffisamment bas. Bien que je ne travaille normalement pas sur des projets qui peuvent être réalisés sur seulement 2 couches, il est toujours important de savoir comment utiliser correctement ces cartes. Si vous êtes astucieux, vous pouvez même utiliser ces cartes pour router certaines interfaces à haute vitesse.

Dans cet article, je veux examiner certaines des règles importantes pour concevoir un PCB à 2 couches qui utilisera une interface série à haute vitesse. Quelque chose comme l'USB ou le SPI peut être facilement réalisé sur un circuit imprimé à 2 couches tant que certaines règles de base de routage sont suivies. Ce que je vais présenter ci-dessous devrait être un point de départ pour le routage des signaux numériques dans une disposition de PCB à 2 couches.

Un point à noter : vous ne devriez pas vous lancer dans un projet à 2 couches en vous attendant à ce que cette carte passe les tests de CEM (Compatibilité ÉlectroMagnétique). Assurer la CEM dépendra de nombreux facteurs liés à l'alimentation, à la mise à la terre, à votre boîtier, aux composants et circuits présents sur la carte, et bien d'autres facteurs. Espérons que cela vous donnera une bonne introduction sur comment vous pouvez réaliser la partie routage de la mise en page d'un PCB à 2 couches sans créer de problèmes d'intégrité de signal.

Commencer avec les cartes numériques à 2 couches

Les mises en page de PCB à 2 couches sont intéressantes car elles représentent généralement le niveau d'entrée pour la plupart des concepteurs. La plupart des conceptions impliquant un MCU à vitesse modérée (peut-être un temps de montée de 5-10 ns), un bus série commun comme SPI, et des interfaces numériques haute vitesse plus simples peuvent fonctionner parfaitement sur une carte à 2 couches tant qu'elles ne sont pas trop denses et que vous n'enfreignez pas quelques règles de base de routage. Cependant, ces conceptions enfreignent souvent de nombreuses règles d'intégrité de signal et créent/reçoivent un EMI excessif. En conséquence, la carte pourrait techniquement fonctionner comme vous l'aviez prévu, mais elle pourrait ne jamais passer les tests de CEM, donc vous ne pourriez pas la vendre.

Tout d'abord, il y a quelques points à considérer dans la conception d'un circuit imprimé à 2 couches qui utilise des signaux numériques :

• Contrôle de l'impédance : Est-ce que certaines de vos interfaces nécessitent un contrôle de l'impédance ? Si c'est le cas, souvenez-vous qu'il peut être difficile d'atteindre les exigences d'impédance sur une épaisseur standard de PCB pour les signaux à terminaison unique.
• Longueur des pistes : Comme nous ne pouvons pas atteindre les exigences de contrôle de l'impédance sur un circuit à 2 couches, nous devrons maintenir les longueurs des pistes en dessous d'une certaine longueur critique. Certaines interfaces sont très tolérantes en matière d'impédance et ont de longues longueurs critiques, mais vous devrez calculer une limite de longueur.
• Accès à la masse : Afin d'assurer un faible couplage et une faible EMI dans votre routage numérique, vous devrez fournir un accès à la masse avec un chemin de retour clair.
• Nombre de composants/réseaux : Sur une carte à 2 couches, l'espace pour le routage est limité, donc vous ne pouvez pas avoir trop de composants. Dès que vous essayez d'inclure trop de composants et qu'il y a beaucoup de croisements dans votre routage, vous devrez passer à une carte à 4 couches, ou vous devrez rendre votre carte à 2 couches trop grande.

Signaux numériques et impédance

Lorsque vous travaillez avec la logique numérique, surtout sur une carte à 2 couches, il est important de noter que tous les signaux numériques n'ont pas une exigence d'impédance. Parfois, si c'est le cas, vous pouvez la violer et l'interface fonctionnera correctement. Cela est important dans une carte à 2 couches car, si vous voulez juste router des microstrips, la largeur de vos pistes doit avoir une valeur spécifique pour atteindre une cible d'impédance.

Typiquement, la cible d'impédance que vous verrez pour les signaux numériques sera la suivante :

• Une exigence d'impédance en mode simple, où le signal est pris isolément
• Une exigence d'impédance différentielle pour les paires différentielles, où les signaux doivent être routés ensemble

À titre d'exemple, considérons une carte à 2 couches avec une épaisseur standard de 62 mils pour le noyau (Dk = 4.8). Si nous voulons atteindre l'impédance standard de 50 Ohms, alors nous devons avoir une largeur de piste de presque 110 mils ! C'est une largeur de piste énorme et bien plus grande que la taille des pads de n'importe quel composant numérique que vous placerez sur une vraie carte. Pour déterminer cela, j'ai utilisé un calculateur d'impédance de microstrip en ligne basé sur les formules de l'IPC 2141.

Les calculateurs en ligne ne donnent pas les résultats les plus précis, mais le résultat ci-dessus illustre un point important : il est impossible de réaliser un contrôle d'impédance pour des pistes isolées à extrémité unique sur un PCB à 2 couches et s'attendre à tout faire tenir dans le layout. Évidemment, cela éliminerait l'utilisation de DDR pour les mémoires, qui inclut des pistes à extrémité unique avec des signaux à haute vitesse et des longueurs électriques très petites.

C'est là que nous devons définir une limite de longueur pour vos pistes si nous utilisons une interface à impédance contrôlée. Lorsque la distance parcourue par le signal pendant son temps de montée est bien plus longue que la longueur de la piste, alors l'impédance de la piste n'a pas d'importance. Dans ce cas, le signal ne voit que l'impédance de la charge pendant la propagation. La limite exacte de longueur dépend de plusieurs facteurs, mais une règle très conservatrice est de fixer une limite de longueur de piste à 1/10ème de la distance parcourue par le signal.

Juste pour donner un exemple, utilisons le retard de propagation dans l'image ci-dessus avec un signal ayant un temps de montée de 5 ns. Dans le cas mentionné, la vitesse de propagation est d'environ 6,8 pouces/ns. Cela signifie donc, si nous avons un signal avec un temps de montée de 5 ns, alors le signal parcourra 34 pouces pendant son temps de montée, donc notre longueur maximale de piste serait de 1/10ème de cela, soit 3,4 pouces. Nous pouvons en fait être un peu moins conservateurs qu'une limite de longueur de 1/10ème. Si nous fixons une limite de 1/4ème, nous aurions une longueur maximale de piste de 8,5 pouces avant de devoir commencer à nous préoccuper de l'impédance des pistes.

Selon la tolérance que vous pouvez accepter concernant une violation d'impédance à l'extrémité réceptrice de votre canal, vous aurez certainement une certaine liberté pour implémenter une carte à 2 couches avec un protocole numérique typique tant que les longueurs restent courtes.

Et qu'en est-il de l'impédance différentielle ?

Comme je suis sûr que les lecteurs le savent, la plupart des interfaces à haute vitesse se préoccupent de l'impédance différentielle, et pas seulement de l'impédance en mode commun. Comme nous l'avons vu ci-dessus, une trace en mode commun devrait être inacceptalement large pour atteindre une valeur d'impédance de 50 Ohms que vous verrez dans la plupart des spécifications. Comment pouvons-nous atteindre une valeur d'impédance différentielle sur une carte à 2 couches lorsque l'exigence de largeur de trace pour l'impédance caractéristique est si grande ?

Certaines interfaces peuvent en fait être routées comme des traces en mode commun à longueurs appariées, ou comme des paires différentielles étroitement couplées ! L'USB est un exemple parfait : le schéma de terminaison traite chaque extrémité de la paire individuellement comme une trace en mode commun, donc nous devons toujours atteindre la spécification d'impédance en mode commun. Comment pouvons-nous éventuellement faire cela ?

Dans ce cas, nous devons utiliser un calculateur pour obtenir l'impédance différentielle et utiliser la largeur et l'espacement retournés pour nous assurer que nous avons atteint la spécification en mode simple. Sur un circuit imprimé à 2 couches, nous ne pouvons pas simplement prendre la largeur trouvée précédemment et l'insérer dans un calculateur d'impédance différentielle. Si nous le faisions, nous trouverions que l'espacement nécessaire des pistes serait d'environ 10 pouces ! Évidemment, cela n'est pas pratique. En réalité, si nous calculons la largeur et l'espacement des pistes dont nous avons besoin pour une impédance cible, nous aurions quelque chose de plus proche de 10 mils de largeur et 6 mils d'espacement pour un arrangement microstrip coplanaire. Cela est bien plus raisonnable.

Ce que cela signifie est :

• La largeur de piste nécessaire dans une paire différentielle n'a pas besoin d'être égale à la largeur de piste nécessaire pour atteindre l'impédance caractéristique d'une trace unique. Dans une paire différentielle, la largeur de la trace en mode simple définit l'impédance en mode impair, qui est la moitié de votre cible d'impédance différentielle. La valeur de l'impédance en mode impair est différente de la valeur de l'impédance caractéristique.

Il s'agit d'une distinction importante. Cela signifie que, pour une interface différentielle, vous ne devriez pas simplement prendre la largeur de piste pour l'impédance caractéristique mentionnée ci-dessus et l'insérer directement dans votre calculateur d'impédance différentielle pour obtenir un espacement. Lorsque les pistes d'une paire différentielle sont rapprochées, le couplage entre elles réduit l'impédance du signal en mode simple et nécessite que la largeur de piste soit plus petite, même sur un PCB à 2 couches. Nous discuterons davantage de ce sujet dans deux articles à venir, y compris un exemple où nous examinons l'utilisation de l'USB sur une carte à 2 couches.

Quelques directives de routage pour les signaux numériques sur 2 couches

L'objectif de ces directives de base est de garantir que votre conception numérique ait le moins de bruit possible, ce qui est difficile étant donné la structure d'une carte à 2 couches.

1. Placez un plan de masse sur la couche inférieure, puis placez les composants numériques et le routage sur la couche supérieure. Cela ne vous aidera pas pour le contrôle de l'impédance pendant le routage, mais vous devriez le faire de toute façon pour aider au contrôle du bruit et pour vous donner un accès facile à la masse à travers des vias.
2. Utilisez une largeur de piste fixe pour router l'alimentation et les signaux. Des pistes de 8 à 10 mils conviennent parfaitement pour router les signaux numériques, et des vias de 12 à 14 mils sont adéquats pour les transitions de signal vers le plan de masse. L'alimentation peut être routée avec des polygones si vous travaillez avec un courant élevé, mais dans la plupart des cas, vous serez bien avec des pistes plus larges.
3. Utilisez des condensateurs de découplage/de bypass pour assurer une alimentation stable et un faible rebond de masse. Les cartes à 2 couches peuvent présenter un rebond de masse et éventuellement du bruit sur les rails d'alimentation, mais les condensateurs de découplage/de bypass atténueront ce bruit.

Dans le prochain article de notre série sur les cartes à 2 couches, je montrerai comment mettre en œuvre ces directives de conception pour l'USB, qui peut définitivement être considéré comme une interface numérique à haute vitesse. Si vous êtes familier avec l'USB, vous savez que c'est une interface rapide qui nécessite souvent un routage contrôlé de l'impédance. Cependant, avec les directives présentées ci-dessus, vous pouvez obtenir une carte à 2 couches fonctionnelle qui utilise cette interface. Notez juste que vous n'aurez peut-être pas une carte totalement exempte de bruit, donc ne vous attendez pas à ce que cette disposition passe automatiquement le test d'EMC. Toutefois, elle devrait fonctionner correctement comme carte de développement pour votre microcontrôleur préféré, et vous pourriez avoir de la chance si vous routez vos signaux correctement avec un plan de masse cohérent sur la couche arrière et que vous limitez les changements de couches à travers les vias.

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