È possibile instradare segnali digitali su un design PCB a 2 strati?

Le PCB a 2 strati sono il miglior amico degli hobbisti. Sono facili da definire nel software di progettazione e il routing è semplice se il numero di collegamenti è abbastanza basso. Anche se normalmente non lavoro su progetti che possono essere realizzati su soli 2 strati, è comunque importante sapere come utilizzare correttamente queste schede. Se sei abile, puoi anche utilizzare queste schede per instradare alcune interfacce ad alta velocità.

In questo articolo, voglio esaminare alcune delle regole importanti per progettare un PCB a 2 strati che utilizzerà un'interfaccia seriale ad alta velocità. Qualcosa come USB o SPI può essere facilmente realizzato su un circuito a 2 strati purché vengano seguite alcune regole di base per il routing. Quello che presenterò di seguito dovrebbe essere un punto di partenza per il routing dei segnali digitali in un layout di PCB a 2 strati.

Un punto da notare: non dovresti avvicinarti a un progetto a 2 strati con l'aspettativa che questa scheda supererà i test EMC. Assicurare la conformità EMC dipenderà da molti fattori che si riferiscono all'alimentazione, alla messa a terra, al tuo involucro, ai componenti e ai circuiti presenti sulla scheda, e a molti altri fattori. Speriamo che questo ti dia una buona introduzione su come puoi realizzare la parte di routing del layout di una PCB a 2 strati senza creare problemi di integrità del segnale.

Iniziare con le Schede Digitali a 2 Strati

I layout di PCB a 2 strati sono interessanti poiché sono solitamente il livello di ingresso per la maggior parte dei progettisti. La maggior parte dei progetti che coinvolgono un MCU di velocità moderata (forse con un tempo di salita di 5-10 ns), un bus seriale comune come SPI, e interfacce digitali ad alta velocità più semplici possono funzionare perfettamente su una scheda a 2 strati a patto che non siano troppo dense e che tu non infranga alcune regole di base sul routing. Tuttavia, questi progetti spesso violano molte regole di integrità del segnale e creano/ricevono EMI eccessive. Di conseguenza, la scheda potrebbe tecnicamente funzionare come intendi, ma potrebbe mai superare i test EMC, quindi non potresti venderla.

Prima di tutto, ci sono alcuni punti da considerare nella progettazione di una scheda a 2 strati che utilizza segnali digitali:

• Controllo dell'impedenza: Le tue interfacce richiedono il controllo dell'impedenza? Se sì, ricorda che può essere difficile soddisfare i requisiti di impedenza su uno spessore standard della PCB per segnali single-ended.
• Lunghezza delle tracce: Poiché non possiamo soddisfare i requisiti di controllo dell'impedenza su una scheda a 2 strati, dovremo mantenere le lunghezze delle tracce al di sotto di una certa lunghezza critica. Alcune interfacce sono molto tolleranti riguardo l'impedenza e hanno lunghezze critiche lunghe, ma sarà necessario calcolare un limite di lunghezza.
• Accesso alla massa: Per garantire bassa diafonia e bassa EMI nel tuo routing digitale, dovrai fornire accesso alla massa con un percorso di ritorno chiaro.
• Conteggio parti/rete: Su una scheda a 2 strati, lo spazio disponibile per il routing è limitato, quindi non è possibile avere troppe parti. Non appena si tenta di includere troppe parti e c'è molto incrocio nel routing, sarà necessario passare a una scheda a 4 strati, oppure si dovrà rendere la scheda a 2 strati troppo grande.

Segnali digitali e impedenza

Nel lavorare con la logica digitale, specialmente in una scheda a 2 strati, è importante notare che non tutti i segnali digitali hanno un requisito di impedenza. A volte, se lo hanno, è possibile violarlo e l'interfaccia funzionerà bene. Questo è importante in una scheda a 2 strati perché, se si vuole semplicemente realizzare microstrip, la larghezza delle tracce deve avere un valore specifico per raggiungere un obiettivo di impedenza.

Tipicamente, l'obiettivo di impedenza che si vede per i segnali digitali sarà il seguente:

• Un qualche requisito di impedenza single-ended, dove il segnale è preso in isolamento
• Un qualche requisito di impedenza differenziale per coppie differenziali, dove i segnali devono essere instradati insieme

Come esempio, consideriamo una scheda a 2 strati con uno spessore standard del nucleo di 62 mil (Dk = 4.8). Se vogliamo raggiungere l'obiettivo standard di impedenza di 50 Ohm, allora dobbiamo avere una larghezza della traccia di quasi 110 mil! Questa è una larghezza della traccia enorme ed è molto più grande della dimensione del pad di qualsiasi componente digitale che posizionerai su una scheda reale. Per determinare ciò, ho utilizzato un calcolatore online dell'impedenza microstrip basato sulle formule IPC 2141.

I calcolatori online non forniscono i risultati più accurati, ma il risultato sopra illustra un punto importante: non è assolutamente possibile fare il controllo dell'impedenza per tracce isolate monofilo su un PCB a 2 strati e aspettarsi di inserire tutto nel layout. Ovviamente, ciò eliminerebbe l'uso di DDR per le memorie, che include tracce monofilo con segnali ad alta velocità e lunghezze elettriche molto piccole.

Questo è il punto in cui dobbiamo impostare un limite di lunghezza per le tue tracce se stiamo utilizzando un'interfaccia a impedenza controllata. Quando la distanza percorsa dal segnale durante il suo tempo di salita è molto più lunga della lunghezza della traccia, allora l'impedenza della traccia non ha importanza. In questo caso, il segnale vede solo l'impedenza del carico durante la propagazione. Il limite esatto di lunghezza dipende da molti fattori, ma una regola molto conservativa è quella di impostare un limite di lunghezza della traccia di 1/10 della distanza percorsa dal segnale.

Giusto per fare un esempio, usiamo il ritardo di propagazione nell'immagine sopra con un segnale con tempo di salita di 5 ns. Nel caso sopra, la velocità di propagazione è di circa 6,8 pollici/ns. Quindi, questo significa che, se abbiamo un segnale con tempo di salita di 5 ns, allora il segnale percorrerà 34 pollici durante il suo tempo di salita, quindi la nostra lunghezza massima della traccia sarebbe 1/10 di questo, ovvero 3,4 pollici. Possiamo effettivamente essere un po' meno conservativi di un limite di lunghezza di 1/10. Se impostiamo un limite di lunghezza di 1/4, avremmo una lunghezza massima della traccia di 8,5 pollici prima di dover iniziare a preoccuparci dell'impedenza delle tracce.

A seconda di quanto puoi tollerare una violazione dell'impedenza all'estremità ricevente del tuo canale, avrai sicuramente una certa libertà nell'implementare una scheda a 2 strati con un protocollo digitale tipico, purché le lunghezze siano brevi.

Che dire dell'Impedenza Differenziale?

Come sono sicuro i lettori sapranno, la maggior parte delle interfacce ad alta velocità si preoccupa dell'impedenza differenziale, non solo dell'impedenza in singola fine. Come abbiamo visto sopra, una traccia in singola fine dovrebbe essere inaccettabilmente grande per raggiungere un valore di impedenza di 50 Ohm che vedrete nella maggior parte delle specifiche. Come possiamo raggiungere un valore di impedenza differenziale su una scheda a 2 strati quando il requisito di larghezza della traccia dell'impedenza caratteristica è così grande?

Alcune interfacce possono effettivamente essere instradate come tracce in singola fine con lunghezze abbinate, o come coppie differenziali strettamente accoppiate! USB è un esempio perfetto: lo schema di terminazione tratta ciascuna estremità della coppia individualmente come una traccia in singola fine, quindi dobbiamo comunque soddisfare la specifica dell'impedenza in singola fine. Come possiamo possibilmente fare questo?

In questo caso, dobbiamo utilizzare un calcolatore per ottenere l'impedenza differenziale e usare il valore di larghezza e distanza restituito per assicurarci di aver raggiunto le specifiche per il singolo terminale. In una scheda a 2 strati, non possiamo semplicemente prendere la larghezza che abbiamo trovato sopra e inserirla in un calcolatore di impedenza differenziale. Se lo facessimo, scopriremmo che la separazione delle tracce richiesta sarebbe di circa 10 pollici! Ovviamente, questo non è praticabile. In realtà, se calcoliamo la larghezza e lo spazio delle tracce di cui abbiamo bisogno per un'impedenza target, avremmo qualcosa di più vicino a 10 mils di larghezza e 6 mils di spazio per un arrangiamento microstrip coplanare. Questo è molto più ragionevole.

Questo significa che:

• La larghezza della traccia necessaria in una coppia differenziale non deve essere uguale alla larghezza della traccia necessaria per raggiungere l'impedenza caratteristica di una singola traccia. In una coppia differenziale, la larghezza della traccia singola definisce l'impedenza in modo dispari, che è metà del tuo obiettivo di impedenza differenziale. Il valore dell'impedenza in modo dispari è diverso dal valore dell'impedenza caratteristica.

Questa è una distinzione importante. Significa che, per un'interfaccia differenziale, non si dovrebbe semplicemente prendere la larghezza della traccia per l'impedenza caratteristica mostrata sopra e inserirla nel calcolatore dell'impedenza differenziale per ottenere una spaziatura. Quando le tracce in una coppia differenziale sono portate vicine, l'accoppiamento tra di esse riduce l'impedenza del segnale singolo e richiede che la larghezza della traccia sia minore, anche su un PCB a 2 strati. Discuteremo di più su questo argomento in due articoli futuri, includendo un esempio in cui esaminiamo l'uso di USB su una scheda a 2 strati.

Alcune linee guida per il routing su schede a 2 strati per segnali digitali

L'obiettivo di queste linee guida di base è garantire che il tuo progetto digitale abbia il minor rumore possibile, il che è difficile data la struttura di una scheda a 2 strati.

1. Posiziona un piano di massa sullo strato inferiore e poi posiziona i componenti digitali e il routing sullo strato superiore. Questo non ti aiuterà con il controllo dell'impedenza durante il routing, ma dovresti comunque farlo per aiutare con il controllo del rumore e per darti un facile accesso alla massa attraverso le vie.
2. Utilizza una larghezza di traccia fissa per instradare alimentazione e segnali. Tracce da 8-10 mil sono adeguate per l'instradamento di segnali digitali, e vie da 12-14 mil vanno bene per le transizioni di segnale verso il piano di massa. L'alimentazione può essere instradata con poligoni se stai lavorando con correnti elevate, ma nella maggior parte dei casi andrai bene con tracce più larghe.
3. Usa condensatori di accoppiamento/bypass per garantire un'alimentazione stabile e un basso rimbalzo di terra. Le schede a 2 strati possono mostrare rimbalzo di terra e possibilmente del rumore sui binari di alimentazione, ma i condensatori di accoppiamento/bypass smorzeranno questo rumore.

Nel prossimo capitolo della nostra serie sui circuiti a 2 strati, mostrerò come implementare queste linee guida per l'USB, che può sicuramente essere considerata un'interfaccia digitale ad alta velocità. Se sei familiare con l'USB, saprai che è un'interfaccia veloce che spesso necessita di routing controllato dell'impedenza. Tuttavia, seguendo le linee guida mostrate sopra, puoi ottenere un circuito a 2 strati funzionale che utilizza questa interfaccia. Tieni presente che potresti non avere un circuito completamente privo di rumore, quindi non aspettarti che questo layout superi automaticamente i test di compatibilità elettromagnetica. Tuttavia, dovrebbe funzionare bene come scheda di sviluppo per il tuo microcontrollore preferito, e potresti avere fortuna se instradi i tuoi segnali correttamente con un piano di massa consistente sullo strato posteriore e limiti i cambi di strato attraverso le vie.

Quando devi progettare una scheda a 2 strati che possa supportare segnali digitali, utilizza gli strumenti di progettazione PCB in CircuitMaker. Tutti gli utenti di CircuitMaker possono creare schemi, layout PCB e documentazione di produzione necessari per trasformare un'idea in un prodotto. Gli utenti hanno anche accesso a uno spazio personale sulla piattaforma Altium 365, dove possono caricare e memorizzare i dati di progettazione nel cloud, e visualizzare facilmente i progetti tramite un browser web in una piattaforma sicura.

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