Czy można prowadzić sygnały cyfrowe na dwuwarstwowej płytce PCB?

Płytki PCB dwuwarstwowe są najlepszym przyjacielem hobbysty. Są łatwe do zdefiniowania w oprogramowaniu do projektowania, a trasowanie jest proste, jeśli liczba połączeń jest wystarczająco niska. Chociaż zazwyczaj nie pracuję nad rzeczami, które można zrobić tylko na dwóch warstwach, nadal ważne jest, aby wiedzieć, jak prawidłowo używać tych płyt. Jeśli jesteś sprytny, możesz nawet użyć tych płyt do trasowania niektórych interfejsów wysokiej prędkości.

W tym artykule chcę przyjrzeć się niektórym ważnym zasadom projektowania dwuwarstwowej płytki PCB, która będzie używać interfejsu szeregowego wysokiej prędkości. Coś takiego jak USB czy SPI może być łatwo zrealizowane na dwuwarstwowej płytce drukowanej, pod warunkiem, że zostaną przestrzegane pewne podstawowe zasady trasowania. To, co przedstawię poniżej, powinno być punktem wyjścia do trasowania sygnałów cyfrowych w układzie dwuwarstwowej płytki PCB.

Warto zwrócić uwagę na jedną kwestię: nie powinieneś podchodzić do projektu dwuwarstwowego z oczekiwaniem, że ta płyta przejdzie testy EMC. Zapewnienie zgodności EMC będzie zależało od wielu czynników związanych z zasilaniem, uziemieniem, obudową, jakie komponenty i obwody znajdują się na płycie oraz wielu innych aspektów. Mamy nadzieję, że to da ci dobry wstęp do tego, jak możesz zrealizować rozmieszczenie i trasowanie elementów na dwuwarstwowej płycie PCB, nie tworząc problemów z integralnością sygnału.

Rozpoczynanie pracy z dwuwarstwowymi płytami cyfrowymi

Układy dwuwarstwowe PCB są interesujące, ponieważ zazwyczaj stanowią punkt wejścia dla większości projektantów. Większość projektów z umiarkowanie szybkim MCU (może 5-10 ns czas narastania), wspólnym magistralą szeregową jak SPI i prostszymi szybkimi interfejsami cyfrowymi może działać całkiem dobrze na płycie dwuwarstwowej, pod warunkiem, że nie są zbyt gęsto upakowane i nie łamiesz kilku podstawowych zasad trasowania. Jednak te projekty często łamią wiele zasad integralności sygnału i generują/odbierają nadmierną EMI. W rezultacie, płyta może technicznie funkcjonować zgodnie z zamierzeniami, ale nigdy nie przejdzie testów EMC, więc nie będziesz mógł jej sprzedać.

Na początek, istnieje kilka punktów, o których należy pomyśleć przy projektowaniu płytki dwuwarstwowej wykorzystującej sygnały cyfrowe:

• Kontrola impedancji: Czy którekolwiek z Twoich interfejsów wymaga kontroli impedancji? Jeśli tak, pamiętaj, że może być trudno osiągnąć wymagania dotyczące impedancji na standardowej grubości PCB dla sygnałów jednostronnych.
• Długość ścieżki: Ponieważ nie możemy spełnić wymagań dotyczących kontroli impedancji na płytce dwuwarstwowej, musimy utrzymać długość ścieżek poniżej pewnej krytycznej długości. Niektóre interfejsy są bardzo tolerancyjne wobec impedancji i mają długie krytyczne długości, ale będziesz musiał obliczyć limit długości.
• Dostęp do masy: Aby zapewnić niskie przebicie sygnałów i niskie EMI w Twoim trasowaniu cyfrowym, musisz zapewnić dostęp do masy z jasno określoną ścieżką powrotną.
• Liczba części/ścieżek: Na płytce dwuwarstwowej masz ograniczoną przestrzeń do prowadzenia ścieżek, więc nie możesz mieć zbyt wielu elementów. Gdy tylko spróbujesz dołączyć zbyt wiele części i pojawi się dużo krzyżowania się ścieżek, będziesz musiał przejść na płytę czterowarstwową, albo zrobić swoją dwuwarstwową płytę zbyt dużą.

Sygnały cyfrowe i impedancja

Pracując z logiką cyfrową, zwłaszcza na płycie dwuwarstwowej, ważne jest, aby zauważyć, że nie wszystkie sygnały cyfrowe mają wymagania co do impedancji. Czasami, nawet jeśli mają, można je naruszyć, a interfejs będzie działał poprawnie. Jest to ważne na płycie dwuwarstwowej, ponieważ jeśli chcesz po prostu prowadzić mikropaski, szerokość twoich ścieżek musi mieć określoną wartość, aby osiągnąć cel impedancyjny.

Zazwyczaj cel impedancyjny, jaki widzisz dla sygnałów cyfrowych, będzie następujący:

• Wymaganie dotyczące impedancji jednostronnej, gdzie sygnał jest traktowany izolacyjnie
• Wymaganie dotyczące impedancji różnicowej dla par różnicowych, gdzie sygnały muszą być prowadzone razem

Jako przykład, rozważmy płytę dwuwarstwową o standardowej grubości rdzenia 62 mil (Dk = 4.8). Jeśli chcemy osiągnąć standardowy cel impedancji 50 omów, musimy mieć szerokość ścieżki prawie 110 mil! To jest ogromna szerokość ścieżki i jest znacznie większa niż rozmiar pada jakiegokolwiek cyfrowego komponentu, który umieścisz na prawdziwej płycie. Aby to ustalić, użyłem internetowego kalkulatora impedancji mikropaska opartego na wzorach IPC 2141.

Internetowe kalkulatory nie dają najdokładniejszych wyników, ale powyższy rezultat ilustruje ważny punkt: nie można możliwie kontrolować impedancji dla izolowanych pojedynczych ścieżek na płycie PCB z dwoma warstwami i oczekiwać, że wszystko zmieści się w układzie. Oczywiście, eliminowałoby to użycie DDR dla pamięci, co obejmuje pojedyncze ścieżki z sygnałami wysokiej prędkości i bardzo małymi długościami elektrycznymi.

To miejsce, w którym musimy ustalić limit długości ścieżek, jeśli używamy interfejsu o kontrolowanej impedancji. Gdy odległość pokonana przez sygnał podczas jego czasu narastania jest znacznie dłuższa niż długość ścieżki, wtedy impedancja ścieżki nie ma znaczenia. W takim przypadku sygnał widzi tylko impedancję obciążenia podczas propagacji. Dokładny limit długości zależy od wielu czynników, ale bardzo konserwatywną zasadą jest ustawienie limitu długości ścieżki na 1/10 odległości pokonanej przez sygnał.

Jako przykład, użyjmy opóźnienia propagacji z powyższego obrazu z sygnałem o czasie narastania 5 ns. W powyższym przypadku prędkość propagacji wynosi około 6,8 cala/ns. Oznacza to, że jeśli mamy sygnał o czasie narastania 5 ns, wtedy sygnał pokona 34 cale podczas swojego czasu narastania, więc nasza maksymalna długość ścieżki wynosiłaby 1/10 tego, czyli 3,4 cala. Możemy być faktycznie nieco mniej konserwatywni niż limit długości 1/10. Jeśli ustalimy limit długości 1/4, mielibyśmy maksymalną długość ścieżki 8,5 cala, zanim zaczęlibyśmy martwić się o impedancję ścieżek.

W zależności od tego, jak dużą naruszenie impedancji możesz tolerować na końcu odbiornika swojego kanału, z pewnością będziesz miał pewną swobodę w implementacji płytki 2-warstwowej z typowym protokołem cyfrowym, pod warunkiem, że długości są krótkie.

Co z impedancją różnicową?

Jak zapewne czytelnicy wiedzą, większość interfejsów wysokiej prędkości dba o impedancję różnicową, a nie tylko o impedancję jednostronną. Jak widzieliśmy powyżej, ścieżka jednostronna musiałaby być nieakceptowalnie duża, aby osiągnąć wartość impedancji 50 omów, którą widzimy w większości specyfikacji. Jak możemy osiągnąć wartość impedancji różnicowej na płytce 2-warstwowej, gdy wymaganie szerokości ścieżki charakterystycznej impedancji jest tak duże?

Niektóre interfejsy można faktycznie prowadzić jako ścieżki jednostronne o dopasowanej długości, lub jako ściśle sprzężone pary różnicowe! USB jest doskonałym przykładem: schemat zakończenia traktuje każdy koniec pary indywidualnie jako ścieżkę jednostronną, więc nadal musimy spełnić specyfikację impedancji jednostronnej. Jak możemy to możliwie zrobić?

W tym przypadku musimy wykorzystać kalkulator, aby uzyskać impedancję różnicową i użyć zwróconej wartości szerokości i odstępu, aby upewnić się, że osiągnęliśmy specyfikację dla pojedynczego przewodu. W przypadku płytki dwuwarstwowej nie możemy po prostu wziąć szerokości, którą znaleźliśmy powyżej, i wprowadzić jej do kalkulatora impedancji różnicowej. Gdybyśmy to zrobili, odkrylibyśmy, że wymagany odstęp między ścieżkami wynosiłby około 10 cali! Oczywiście, to nie jest praktyczne. W rzeczywistości, jeśli obliczymy szerokość i odstęp ścieżek, których potrzebujemy dla docelowej impedancji, mielibyśmy coś bliższego 10 milom szerokości i 6 milom odstępu dla układu mikropaska koplanarnego. To jest znacznie bardziej rozsądne.

To oznacza, że:

• Szerokość ścieżki potrzebna w parze różnicowej nie musi być równa szerokości ścieżki potrzebnej do osiągnięcia charakterystycznej impedancji dla pojedynczej ścieżki. W parze różnicowej, szerokość ścieżki pojedynczej określa impedancję w trybie nieparzystym, która stanowi połowę docelowej impedancji różnicowej. Wartość impedancji w trybie nieparzystym różni się od wartości charakterystycznej impedancji.

To jest ważne rozróżnienie. Oznacza to, że dla interfejsu różnicowego nie powinieneś po prostu brać szerokości ścieżki dla pokazanej powyżej impedancji charakterystycznej i wpisywać jej do kalkulatora impedancji różnicowej, aby uzyskać odstęp. Gdy ścieżki w parze różnicowej są umieszczone blisko siebie, sprzężenie między nimi zmniejsza impedancję sygnału jednostronnego i powoduje, że wymagana szerokość ścieżki jest mniejsza, nawet na płytce 2-warstwowej. Omówimy to bardziej w dwóch nadchodzących artykułach na ten temat, w tym przykładzie, gdzie przyjrzymy się użyciu USB na płytce 2-warstwowej.

Kilka wytycznych dotyczących trasowania sygnałów cyfrowych na płytach 2-warstwowych

Celem tych podstawowych wytycznych jest zapewnienie, aby projekt cyfrowy miał jak najmniejsze zakłócenia, co jest trudne ze względu na strukturę płytki 2-warstwowej.

1. Umieść płaszczyznę masy na dolnej warstwie, a następnie umieść komponenty cyfrowe i trasowanie na górnej warstwie. To nie pomoże ci w kontroli impedancji podczas trasowania, ale i tak powinieneś to zrobić, aby pomóc w kontroli zakłóceń i zapewnić łatwy dostęp do masy przez przelotki.
2. Używaj stałej szerokości ścieżek do prowadzenia zasilania i sygnałów. Ścieżki o szerokości 8-10 mil są w porządku do prowadzenia sygnałów cyfrowych, a przelotki 12-14 mil są odpowiednie do przejść sygnałów z powrotem do płaszczyzny masy. Zasilanie może być prowadzone za pomocą poligonów, jeśli pracujesz z wysokim prądem, ale w większości przypadków wystarczą szersze ścieżki.
3. Używaj kondensatorów sprzęgających/omijających, aby zapewnić stabilne zasilanie i niskie odbicie od masy. Płytki dwuwarstwowe mogą wykazywać odbicie od masy i możliwe pewne zakłócenia na szynach zasilających, ale kondensatory sprzęgające/omijające będą tłumić te zakłócenia.

W kolejnej części naszej serii na temat płyt dwuwarstwowych pokażę, jak zastosować te wytyczne projektowe dla USB, które z pewnością można uznać za szybki interfejs cyfrowy. Jeśli znasz USB, wiesz, że to szybki interfejs, który często wymaga sterowania impedancją trasowania. Jednak dzięki przedstawionym wyżej wytycznym, możesz uzyskać funkcjonalną płytę dwuwarstwową wykorzystującą ten interfejs. Należy jednak pamiętać, że płyta ta może nie być całkowicie wolna od zakłóceń, więc nie oczekuj, że układ ten automatycznie przejdzie testy EMC. Powinien jednak dobrze sprawdzić się jako płyta rozwojowa dla Twojego ulubionego mikrokontrolera, i możesz mieć szczęście, jeśli poprowadzisz swoje sygnały poprawnie, z zachowaniem spójnej płaszczyzny masy na dolnej warstwie i ograniczysz zmiany warstw przez przelotki.

Gdy potrzebujesz zaprojektować dwuwarstwową płytę, która może obsługiwać sygnały cyfrowe, użyj narzędzi do projektowania PCB w CircuitMaker. Wszyscy użytkownicy CircuitMaker mogą tworzyć schematy, układy PCB oraz dokumentację produkcyjną potrzebną do przekształcenia pomysłu w produkt. Użytkownicy mają również dostęp do osobistej przestrzeni roboczej na platformie Altium 365, gdzie mogą przesyłać i przechowywać dane projektowe w chmurze oraz łatwo przeglądać projekty za pomocą przeglądarki internetowej na bezpiecznej platformie.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś i bądź na bieżąco z nowym CircuitMaker Pro od Altium.