Bạn có thể định tuyến tín hiệu số trên thiết kế PCB 2 lớp không?

Bảng mạch in 2 lớp là người bạn tốt nhất của những người chơi đồ điện tử như một sở thích. Chúng rất dễ định nghĩa trong phần mềm thiết kế của bạn và việc định tuyến trở nên đơn giản nếu số lượng mạch kết nối không quá cao. Mặc dù tôi thường không làm việc với những thứ chỉ cần 2 lớp, nhưng việc biết cách sử dụng đúng cách các bảng mạch này vẫn rất quan trọng. Nếu bạn thông minh, bạn thậm chí có thể sử dụng các bảng mạch này để định tuyến một số giao diện tốc độ cao.

Trong bài viết này, tôi muốn xem xét một số quy tắc quan trọng khi thiết kế một bảng mạch in 2 lớp sẽ sử dụng giao diện nối tiếp tốc độ cao. Cái gì đó như USB hoặc SPI có thể dễ dàng thực hiện trên một bảng mạch 2 lớp miễn là tuân theo một số quy tắc định tuyến cơ bản. Những gì tôi sẽ trình bày dưới đây nên là điểm xuất phát cho việc định tuyến các tín hiệu số trong bố cục PCB 2 lớp.

Một điểm cần lưu ý: bạn không nên bắt đầu một dự án PCB 2 lớp với kỳ vọng rằng bo mạch này sẽ vượt qua được kiểm tra EMC. Việc đảm bảo EMC sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố liên quan đến nguồn điện, tiếp địa, vỏ bọc của bạn, những linh kiện và mạch điện trên bo mạch, và nhiều yếu tố khác. Hy vọng, điều này sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan về cách bạn có thể thực hiện phần bố trí đường mạch của một PCB 2 lớp mà không gây ra vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu.

Bắt Đầu Với Bo Mạch Kỹ Thuật Số 2 Lớp

Các bố trí PCB 2 lớp thú vị vì chúng thường là bước đầu tiên cho hầu hết các nhà thiết kế. Hầu hết các thiết kế bao gồm một MCU tốc độ vừa phải (có thể là thời gian tăng 5-10 ns), một bus nối tiếp phổ biến như SPI, và các giao diện số tốc độ cao đơn giản có thể hoạt động tốt trên một bo mạch 2 lớp miễn là chúng không quá dày đặc và bạn không vi phạm một số quy tắc định tuyến cơ bản. Tuy nhiên, những thiết kế này thường vi phạm nhiều quy tắc về tính toàn vẹn tín hiệu và tạo ra/nhận được quá nhiều EMI. Kết quả là, bo mạch có thể hoạt động theo ý định của bạn, nhưng có thể sẽ không bao giờ vượt qua được kiểm tra EMC, vì vậy bạn sẽ không thể bán nó.

Trước hết, có một số điểm cần suy nghĩ khi thiết kế bảng mạch 2 lớp sử dụng tín hiệu số:

• Kiểm soát trở kháng: Liệu có bất kỳ giao diện nào của bạn yêu cầu kiểm soát trở kháng không? Nếu có, hãy nhớ rằng việc đáp ứng yêu cầu trở kháng trên độ dày PCB tiêu chuẩn cho tín hiệu đơn cuối có thể khá khó khăn.
• Độ dài đường dẫn: Vì chúng ta không thể đáp ứng yêu cầu kiểm soát trở kháng trên bảng mạch 2 lớp, chúng ta sẽ phải giữ độ dài đường dẫn dưới một độ dài quan trọng nào đó. Một số giao diện rất dễ dãi với trở kháng và có độ dài quan trọng dài, nhưng bạn sẽ cần phải tính toán một giới hạn độ dài.
• Truy cập đến mặt đất: Để đảm bảo crosstalk thấp và EMI thấp trong định tuyến số của bạn, bạn sẽ cần phải cung cấp truy cập đến mặt đất với một đường trở về rõ ràng.
• Số lượng linh kiện/mạch: Trên một bảng mạch 2 lớp, bạn có không gian hạn chế cho việc đấu nối, vì vậy bạn không thể có quá nhiều linh kiện. Ngay khi bạn cố gắng bao gồm quá nhiều linh kiện và có nhiều sự chéo cắt trong việc đấu nối của mình, bạn sẽ phải chuyển sang bảng mạch 4 lớp, hoặc bạn sẽ phải làm cho bảng mạch 2 lớp của mình quá lớn.

Tín hiệu số và Trở kháng

Khi làm việc với logic số, đặc biệt trên một bảng mạch 2 lớp, điều quan trọng cần lưu ý là không phải tất cả tín hiệu số đều có yêu cầu về trở kháng. Đôi khi, nếu chúng có, bạn có thể vi phạm nó và giao diện vẫn hoạt động tốt. Điều này quan trọng trong một bảng mạch 2 lớp vì, nếu bạn chỉ muốn đấu nối microstrips, chiều rộng của các đường dẫn của bạn cần có một giá trị cụ thể để đạt được mục tiêu trở kháng.

Thông thường, mục tiêu trở kháng bạn thấy cho tín hiệu số sẽ như sau:

• Một số yêu cầu trở kháng đơn cuối, nơi tín hiệu được lấy một cách độc lập
• Một số yêu cầu trở kháng khác biệt cho các cặp khác biệt, nơi các tín hiệu phải được đấu nối cùng nhau

Chỉ cần xem xét một ví dụ, hãy xem xét một bảng mạch 2 lớp với độ dày tiêu chuẩn là 62 mil lõi (Dk = 4.8). Nếu chúng ta muốn đạt được mục tiêu trở kháng tiêu chuẩn 50 Ohm, thì chúng ta cần phải có một độ rộng dây dẫn gần như 110 mil! Đây là một độ rộng dây dẫn khổng lồ và lớn hơn nhiều so với kích thước pad của bất kỳ linh kiện số nào bạn sẽ đặt trên một bảng mạch thực tế. Để xác định điều này, tôi đã sử dụng một máy tính trở kháng microstrip trực tuyến dựa trên các công thức IPC 2141.

Các máy tính trực tuyến không cung cấp kết quả chính xác nhất, nhưng kết quả trên minh họa một điểm quan trọng: bạn không thể kiểm soát trở kháng cho các dây dẫn đơn lẻ cô lập trên một PCB 2 lớp và mong đợi mọi thứ vừa vặn trong bố cục. Rõ ràng, điều này sẽ loại bỏ việc sử dụng DDR cho bộ nhớ, bao gồm các dây dẫn đơn lẻ với tín hiệu tốc độ cao và độ dài điện rất nhỏ.

Đây là nơi chúng ta cần thiết lập giới hạn chiều dài cho các đường dẫn của bạn nếu chúng ta sử dụng giao diện trở kháng kiểm soát. Khi khoảng cách mà tín hiệu di chuyển trong thời gian tăng của nó dài hơn nhiều so với chiều dài của đường dẫn, thì trở kháng của đường dẫn không quan trọng. Trong trường hợp này, tín hiệu chỉ nhìn thấy trở kháng của tải trong quá trình truyền. Giới hạn chiều dài chính xác phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng một quy tắc rất thận trọng là thiết lập giới hạn chiều dài đường dẫn là 1/10 khoảng cách mà tín hiệu di chuyển.

Chỉ là một ví dụ, hãy sử dụng độ trễ truyền trong hình ảnh trên với tín hiệu thời gian tăng 5 ns. Trong trường hợp trên, tốc độ truyền là khoảng 6.8 inch/ns. Vì vậy, điều này có nghĩa là, nếu chúng ta có tín hiệu thời gian tăng 5 ns, thì tín hiệu sẽ di chuyển 34 inch trong thời gian tăng của nó, vì vậy chiều dài đường dẫn tối đa của chúng ta sẽ là 1/10 của điều này, hay 3.4 inch. Thực tế, chúng ta có thể ít thận trọng hơn một chút so với giới hạn chiều dài 1/10. Nếu chúng ta thiết lập giới hạn chiều dài 1/4, chúng ta sẽ có chiều dài đường dẫn tối đa là 8.5 inch trước khi chúng ta cần bắt đầu lo lắng về trở kháng của các đường dẫn.

Tùy thuộc vào mức độ vi phạm trở kháng mà bạn có thể chấp nhận ở phía cuối bộ thu của kênh, bạn chắc chắn sẽ có một số tự do để triển khai một bảng mạch 2 lớp với một giao thức số tiêu biểu miễn là chiều dài được giữ ngắn.

Về Trở Kháng Đối Xứng Thì Sao?

Như tôi tin rằng độc giả sẽ nhận thức được, hầu hết các giao diện tốc độ cao quan tâm đến trở kháng đối xứng, không chỉ trở kháng đơn lẻ. Như chúng ta đã thấy ở trên, một đường dẫn đơn lẻ sẽ cần phải có kích thước không chấp nhận được lớn để đạt được giá trị trở kháng 50 Ohm mà bạn sẽ thấy trong hầu hết các thông số kỹ thuật. Làm thế nào chúng ta có thể đạt được giá trị trở kháng đối xứng trên một bảng mạch 2 lớp khi yêu cầu chiều rộng đường dẫn trở kháng đặc trưng quá lớn?

Một số giao diện thực sự có thể được định tuyến như các đường dẫn đơn lẻ có chiều dài khớp nhau, hoặc như các cặp đối xứng được ghép chặt! USB là một ví dụ hoàn hảo: sơ đồ kết thúc xử lý mỗi đầu của cặp một cách riêng lẻ như một đường dẫn đơn lẻ, vì vậy chúng ta vẫn phải đạt được thông số kỹ thuật trở kháng đơn lẻ. Làm thế nào chúng ta có thể làm điều này?

Trong trường hợp này, chúng ta cần sử dụng một máy tính để tính toán trở kháng vi sai và sử dụng giá trị chiều rộng và khoảng cách trả về để đảm bảo chúng ta đã đạt được thông số trở kháng đơn. Trên một bảng mạch 2 lớp, chúng ta không thể chỉ lấy chiều rộng mà chúng ta tìm thấy ở trên và nhập nó vào máy tính trở kháng vi sai. Nếu chúng ta làm vậy, chúng ta sẽ thấy rằng khoảng cách dẫn cần thiết khoảng 10 inch! Rõ ràng, điều này không khả thi. Trong thực tế, nếu chúng ta tính toán chiều rộng và khoảng cách dẫn cần thiết cho một trở kháng mục tiêu, chúng ta sẽ có một cái gì đó gần hơn với chiều rộng 10 mils và khoảng cách 6 mils cho một bố trí microstrip đồng mặt phẳng. Điều này hợp lý hơn nhiều.

Điều này có nghĩa là:

• Chiều rộng dẫn cần thiết trong một cặp vi sai không cần phải bằng với chiều rộng dẫn cần thiết để đạt được trở kháng đặc trưng cho một dẫn đơn. Trong một cặp vi sai, chiều rộng dẫn đơn xác định trở kháng chế độ lẻ, là một nửa mục tiêu trở kháng vi sai của bạn. Giá trị trở kháng chế độ lẻ khác với giá trị trở kháng đặc trưng.

Đây là một sự phân biệt quan trọng. Điều này có nghĩa là, đối với giao diện vi sai, bạn không nên chỉ lấy chiều rộng dấu vết cho trở kháng đặc trưng được hiển thị ở trên và chỉ cắm nó vào máy tính trở kháng vi sai của bạn để lấy khoảng cách. Khi các dấu vết trong một cặp vi sai được đưa lại gần nhau, sự kết nối giữa chúng làm giảm trở kháng tín hiệu đơn lẻ và yêu cầu chiều rộng dấu vết phải nhỏ hơn, ngay cả trên một PCB 2 lớp. Chúng tôi sẽ thảo luận thêm về điều này trong hai bài viết sắp tới về chủ đề này, bao gồm một ví dụ khi chúng tôi xem xét sử dụng USB trên một bảng mạch 2 lớp.

Một số Hướng dẫn Định tuyến 2 Lớp cho Tín hiệu Số

Mục tiêu của những hướng dẫn cơ bản này là để đảm bảo thiết kế số của bạn có tiếng ồn thấp nhất có thể, điều này khó khăn do cấu trúc của một bảng mạch 2 lớp.

1. Đặt một mặt đất ở lớp dưới cùng, sau đó đặt các thành phần số và định tuyến ở lớp trên cùng. Điều này sẽ không giúp bạn kiểm soát trở kháng khi định tuyến, nhưng bạn nên làm điều này dù sao để giúp kiểm soát tiếng ồn và để bạn dễ dàng tiếp cận mặt đất thông qua vias.
2. Sử dụng độ rộng dây dẫn cố định để định tuyến nguồn và tín hiệu. Dây dẫn 8-10 mil là phù hợp cho việc định tuyến tín hiệu số, và vias 12-14 mil là phù hợp cho việc chuyển tín hiệu trở lại mặt đất. Nguồn có thể được định tuyến bằng các đa giác nếu bạn làm việc với dòng điện cao, nhưng trong hầu hết các trường hợp, bạn sẽ ổn với các dây dẫn rộng hơn.
3. Sử dụng tụ bù/qua mạch để đảm bảo nguồn ổn định và giảm nhiễu mặt đất. Các bảng mạch 2 lớp có thể xuất hiện nhiễu mặt đất và có thể một số nhiễu trên đường ray nguồn, nhưng tụ bù/qua mạch sẽ giảm tiếng ồn này.

Trong phần tiếp theo của loạt bài về bảng mạch 2 lớp của chúng tôi, tôi sẽ chỉ cách áp dụng các hướng dẫn thiết kế này cho USB, có thể được coi là một giao diện số tốc độ cao. Nếu bạn đã quen thuộc với USB, bạn sẽ biết đó là một giao diện nhanh cần đến việc điều khiển trở kháng trong định tuyến. Tuy nhiên, với các hướng dẫn được trình bày ở trên, bạn có thể tạo ra một bảng mạch 2 lớp hoạt động được sử dụng giao diện này. Chỉ cần lưu ý rằng bạn có thể không có một bảng mạch hoàn toàn không nhiễu, vì vậy đừng mong đợi bố cục này tự động vượt qua kiểm tra EMC. Tuy nhiên, nó nên hoạt động tốt như một bảng mạch phát triển cho vi điều khiển yêu thích của bạn, và bạn có thể may mắn nếu bạn định tuyến các tín hiệu của mình một cách chính xác với một mặt đất liên tục ở lớp sau và bạn hạn chế thay đổi lớp qua các via.

Khi bạn cần thiết kế một bo mạch 2 lớp có thể hỗ trợ tín hiệu số, hãy sử dụng các công cụ thiết kế PCB trong CircuitMaker. Tất cả người dùng CircuitMaker có thể tạo sơ đồ, bố trí PCB và tài liệu sản xuất cần thiết để chuyển một thiết kế từ ý tưởng sang sản xuất. Người dùng cũng có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365, nơi họ có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế trên đám mây, và dễ dàng xem các dự án qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.