Можно ли прокладывать цифровые сигналы на двухслойной печатной плате?

Двухслойные печатные платы – лучшие друзья любителя. Их легко определить в программе для проектирования, и трассировка становится простой, если количество соединений достаточно низкое. Хотя я обычно не работаю над проектами, которые можно выполнить всего на двух слоях, все же важно знать, как правильно использовать эти платы. Если вы проявите изобретательность, то даже сможете использовать эти платы для трассировки высокоскоростных интерфейсов.

В этой статье я хочу рассмотреть некоторые важные правила проектирования двухслойной печатной платы, которая будет использовать высокоскоростной последовательный интерфейс. Что-то вроде USB или SPI можно легко реализовать на двухслойной плате, если следовать некоторым основным правилам трассировки. То, что я представлю ниже, должно стать отправной точкой для трассировки цифровых сигналов на макете двухслойной печатной платы.

Следует отметить один момент: не стоит начинать проект на 2-слойной плате с ожиданием, что эта плата пройдет тестирование на электромагнитную совместимость (EMC). Обеспечение EMC будет зависеть от многих факторов, связанных с питанием, заземлением, вашим корпусом, какие компоненты и схемы находятся на плате и многих других факторов. Надеемся, это даст вам хорошее введение в то, как можно выполнить маршрутизацию компоновки 2-слойной печатной платы без создания проблем с целостностью сигнала.

Начало работы с 2-слойными цифровыми платами

Компоновки 2-слойных печатных плат интересны тем, что обычно они являются начальным уровнем для большинства разработчиков. Большинство проектов, включающих MCU средней скорости (возможно, с временем нарастания 5-10 нс), общий последовательный шинный интерфейс, такой как SPI, и более простые интерфейсы цифровой высокоскоростной передачи данных, могут функционировать вполне нормально на 2-слойной плате, если они не слишком плотные и вы не нарушаете некоторые основные правила маршрутизации. Однако эти проекты часто нарушают множество правил целостности сигнала и создают/получают избыточные электромагнитные помехи. В результате плата может технически функционировать так, как вы задумали, но она может никогда не пройти тестирование на EMC, поэтому вы не сможете ее продать.

Прежде всего, есть несколько моментов, о которых следует подумать при проектировании двухслойной платы, использующей цифровые сигналы:

• Контроль импеданса: Требуется ли контроль импеданса для каких-либо из ваших интерфейсов? Если да, то помните, что может быть сложно достичь требований к импедансу на стандартной толщине печатной платы для однопроводных сигналов.
• Длина трассы: Поскольку мы не можем достичь требований к контролю импеданса на двухслойной плате, нам придется ограничить длину трасс некоторой критической длиной. Некоторые интерфейсы очень терпимы к импедансу и имеют длинные критические длины, но вам нужно будет рассчитать предельную длину.
• Доступ к земле: Чтобы обеспечить низкую перекрестную помеху и низкое электромагнитное излучение в вашей цифровой разводке, вам нужно будет обеспечить доступ к земле с чётким путём возврата.
• Количество деталей/соединений: На двухслойной плате пространство для трассировки ограничено, поэтому вы не можете разместить слишком много компонентов. Как только вы пытаетесь включить слишком много деталей и при этом происходит много пересечений в трассировке, вам придется перейти к четырехслойной плате, или вам придется сделать вашу двухслойную плату слишком большой.

Цифровые сигналы и импеданс

При работе с цифровой логикой, особенно на двухслойной плате, важно отметить, что не все цифровые сигналы имеют требования к импедансу. Иногда, если они есть, вы можете нарушить их, и интерфейс будет работать нормально. Это важно на двухслойной плате, потому что, если вы просто хотите трассировать микрополоски, ширина ваших дорожек должна иметь определенное значение, чтобы достичь цели по импедансу.

Обычно цель по импедансу для цифровых сигналов будет следующей:

• Некоторые требования к однопроводному импедансу, где сигнал рассматривается изолированно
• Некоторые требования к дифференциальному импедансу для дифференциальных пар, где сигналы должны быть проложены вместе

В качестве примера рассмотрим двухслойную плату стандартной толщины 62 мил (Dk = 4.8). Если мы хотим достичь стандартного импеданса 50 Ом, то нам нужна ширина дорожки почти 110 мил! Это очень большая ширина дорожки, и она значительно больше размера контактной площадки любого цифрового компонента, который вы разместите на реальной плате. Для определения этого я использовал онлайн-калькулятор импеданса микрополосковых линий на основе формул IPC 2141.

Онлайн-калькуляторы не дают самых точных результатов, но вышеуказанный результат иллюстрирует важную мысль: вы не можете осуществить контроль импеданса для изолированных однопроводных дорожек на двухслойной печатной плате и ожидать, что все поместится в макет. Очевидно, это исключит использование DDR для памяти, что включает в себя однопроводные дорожки с высокоскоростными сигналами и очень малыми электрическими длинами.

Вот где нам нужно установить предел длины ваших трасс, если мы используем интерфейс с контролируемым импедансом. Когда расстояние, пройденное сигналом за время его нарастания, значительно превышает длину трассы, то импеданс трассы не имеет значения. В этом случае сигнал воспринимает только импеданс нагрузки во время распространения. Точный предел длины зависит от множества факторов, но очень консервативное правило - установить предел длины трассы в 1/10 расстояния, пройденного сигналом.

К примеру, давайте используем задержку распространения на изображении выше с сигналом времени нарастания 5 нс. В данном случае скорость распространения составляет около 6,8 дюйма/нс. Это означает, что если у нас есть сигнал с временем нарастания 5 нс, то сигнал пройдет 34 дюйма за время его нарастания, так что наш максимальный предел длины трассы будет 1/10 от этого, или 3,4 дюйма. Мы можем быть на самом деле немного менее консервативными, чем предел в 1/10 длины. Если мы установим предел в 1/4 длины, у нас будет максимальная длина трассы 8,5 дюйма, прежде чем нам нужно начать беспокоиться об импедансе трасс.

В зависимости от того, насколько вы можете терпеть нарушение импеданса на приемном конце вашего канала, у вас определенно будет некоторая свобода в реализации двухслойной платы с типичным цифровым протоколом, при условии, что длины остаются короткими.

Что насчет дифференциального импеданса?

Как я уверен, читатели знают, большинство интерфейсов высокой скорости заботятся о дифференциальном импедансе, а не только о одиночном импедансе. Как мы видели выше, для достижения значения импеданса в 50 Ом, которое вы видите в большинстве спецификаций, одиночной дорожке пришлось бы быть неприемлемо широкой. Как нам достичь значения дифференциального импеданса на двухслойной плате, когда требование к ширине дорожки характеристического импеданса так велико?

Некоторые интерфейсы на самом деле могут быть проложены как дорожки с согласованной длиной для одиночного конца, или как плотно связанные дифференциальные пары! USB является идеальным примером: схема завершения обрабатывает каждый конец пары индивидуально как одиночную дорожку, поэтому нам все еще нужно соответствовать спецификации одиночного импеданса. Как мы вообще можем это сделать?

В этом случае нам нужно использовать калькулятор для получения дифференциального импеданса и использовать полученные значения ширины и зазора, чтобы убедиться, что мы достигли спецификации для одиночного проводника. На двухслойной плате мы не можем просто взять найденную выше ширину и вставить её в калькулятор дифференциального импеданса. Если бы мы это сделали, то обнаружили бы, что необходимое разделение дорожек составляет около 10 дюймов! Очевидно, что это непрактично. На самом деле, если мы рассчитаем необходимую ширину и расстояние дорожек для целевого импеданса, то получим что-то ближе к 10 милам ширины и 6 милам расстояния для сопланарной микрополосковой конфигурации. Это гораздо более разумно.

Что это значит:

• Ширина дорожки, необходимая в дифференциальной паре, не обязательно должна быть равна ширине дорожки, необходимой для достижения характеристического импеданса для одиночной дорожки. В дифференциальной паре ширина одиночной дорожки определяет импеданс нечетного режима, который составляет половину вашей целевой дифференциальной величины импеданса. Значение импеданса нечетного режима отличается от значения характеристического импеданса.

Это важное различие. Это означает, что для дифференциального интерфейса вы не должны просто брать ширину дорожки для характеристического импеданса, указанного выше, и вставлять ее в ваш калькулятор дифференциального импеданса, чтобы получить расстояние. Когда дорожки в дифференциальной паре располагаются близко друг к другу, связь между ними уменьшает импеданс однополярного сигнала и требует уменьшения ширины дорожки, даже на двухслойной печатной плате. Мы обсудим это более подробно в двух предстоящих статьях по этой теме, включая пример, где мы рассмотрим использование USB на двухслойной плате.

Некоторые рекомендации по трассировке двухслойных плат для цифровых сигналов

Цель этих базовых рекомендаций - обеспечить минимальный уровень шумов в вашем цифровом дизайне, что сложно, учитывая структуру двухслойной платы.

1. Разместите земляную плоскость на нижнем слое, а цифровые компоненты и трассировку - на верхнем. Это не поможет вам с контролем импеданса при трассировке, но вам следует это сделать в любом случае, чтобы помочь с контролем шума и обеспечить легкий доступ к земле через переходные отверстия (vias).
2. Используйте фиксированную ширину дорожки для маршрутизации питания и сигналов. Дорожки шириной 8-10 милов вполне подходят для маршрутизации цифровых сигналов, а переходные отверстия (виас) 12-14 милов подходят для перехода сигналов обратно на земляную плоскость. Для питания можно использовать полигоны, если вы работаете с высоким током, но в большинстве случаев вам будет достаточно более широких дорожек.
3. Используйте развязывающие/байпасные конденсаторы для обеспечения стабильного питания и низкого уровня отскока по земле. Двухслойные платы могут демонстрировать отскок по земле и, возможно, некоторые помехи на линиях питания, но развязывающие/байпасные конденсаторы подавят эти помехи.

В следующей части нашей серии о двухслойных платах я покажу, как реализовать эти рекомендации по дизайну для USB, который определенно можно считать интерфейсом высокой скорости. Если вы знакомы с USB, то знаете, что это быстрый интерфейс, который часто требует контролируемого импеданса трассировки. Однако, следуя показанным выше рекомендациям, вы можете получить функциональную двухслойную плату, использующую этот интерфейс. Только имейте в виду, что у вас может не получиться полностью безшумная плата, так что не стоит ожидать, что этот лейаут автоматически пройдет тестирование на электромагнитную совместимость. Тем не менее, она должна хорошо работать как разработческая плата для вашего любимого микроконтроллера, и вам может повезти, если вы правильно проложите сигналы с постоянной земляной плоскостью на заднем слое и ограничите изменения слоев через переходные отверстия.

Когда вам нужно спроектировать двухслойную плату, которая может поддерживать цифровые сигналы, используйте инструменты для проектирования печатных плат в CircuitMaker. Все пользователи CircuitMaker могут создавать схемы, компоновки печатных плат и производственную документацию, необходимую для перевода дизайна из идеи в производство. Пользователи также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365, где они могут загружать и хранить данные проекта в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker уже сегодня и следите за новинками CircuitMaker Pro от Altium.