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您可以在 2 層 PCB 上路由數(shù)字信號(hào)嗎？
您可以在 2 層 PCB 上路由數(shù)字信號(hào)嗎？
2 層 PCB 是愛好者最好的朋友。如果凈計(jì)數(shù)足夠低，它們很容易在您的設(shè)計(jì)軟件中定義，并且布線也很簡(jiǎn)單。雖然我通常不會(huì)處理只能在 2 層上完成的工作，但知道如何正確使用這些板仍然很重要。如果你很聰明，你甚至可以使用這些板來路由一些高速接口。
在本文中，我想了解設(shè)計(jì)將使用高速串行接口的 2 層 PCB 的一些重要規(guī)則。只要遵循一些基本的布線規(guī)則，就可以在 2 層電路板上輕松完成 USB 或 SPI 之類的操作。我將在下面介紹的內(nèi)容應(yīng)該是在 2 層 PCB 布局中路由數(shù)字信號(hào)的起點(diǎn)。
需要注意的一點(diǎn)：您不應(yīng)該期望該板能夠通過 EMC 測(cè)試而進(jìn)入這樣的 2 層項(xiàng)目。確保 EMC 將取決于許多與電源、接地、外殼、板上的組件和電路以及許多其他因素相關(guān)的因素。希望這能讓您很好地介紹如何在不產(chǎn)生信號(hào)完整性問題的情況下完成 2 層 PCB 的布局布線部分。
2 層數(shù)字電路板入門
2 層 PCB 布局很有趣，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ谴蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)師的入門級(jí)。大多數(shù)涉及中等速度 MCU（可能是 5-10 ns 上升時(shí)間）、一個(gè)通用串行總線（如 SPI）和更簡(jiǎn)單的高速數(shù)字接口的設(shè)計(jì)都可以在 2 層板上正常運(yùn)行，只要它們不是太密集并且您不會(huì)違反一些基本的路由規(guī)則。然而，這些設(shè)計(jì)經(jīng)常違反很多信號(hào)完整性規(guī)則并產(chǎn)生/接收過多的 EMI。因此，該板在技術(shù)上可能按您的預(yù)期運(yùn)行，但它可能永遠(yuǎn)無法通過 EMC 測(cè)試，因此您將無法出售它。
首先，在使用數(shù)字信號(hào)的 2 層板設(shè)計(jì)中需要考慮以下幾點(diǎn)：
阻抗控制：您的任何接口都需要阻抗控制嗎？如果是這樣，請(qǐng)記住，您不會(huì)在標(biāo)準(zhǔn) PCB 厚度上達(dá)到阻抗要求。
走線長(zhǎng)度：因?yàn)槲覀儫o法滿足 2 層板上的阻抗控制要求，所以我們必須將走線長(zhǎng)度保持在某個(gè)臨界長(zhǎng)度以下。一些接口對(duì)阻抗非常寬容并且具有很長(zhǎng)的臨界長(zhǎng)度，但您需要計(jì)算長(zhǎng)度限制。
接地通路：為了確保數(shù)字路由中的低串?dāng)_和低 EMI，您需要提供具有清晰返回路徑的接地通路。
零件/網(wǎng)數(shù)：在 2 層板上，您的布線空間有限，因此您不能有太多零件。一旦您嘗試包含太多部件并且布線中有很多交叉，您將不得不使用 4 層板，或者您將不得不使您的 2 層板太大。
數(shù)字信號(hào)和阻抗
在使用數(shù)字邏輯時(shí)，尤其是在 2 層板中，重要的是要注意并非所有數(shù)字信號(hào)都有阻抗要求。有時(shí)，如果他們這樣做，您可以違反它并且界面將正常工作。這在 2 層板中很重要，因?yàn)樽呔€的寬度需要具有特定值才能達(dá)到阻抗目標(biāo)。
舉個(gè)例子，考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)厚度 62 mil 核心 (Dk = 4.8) 的 2 層板。如果我們想要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的 50 歐姆阻抗目標(biāo)，那么我們需要有 110 密耳的走線寬度！這是一個(gè)巨大的走線寬度，遠(yuǎn)大于您將放置在真實(shí)電路板上的任何數(shù)字組件的焊盤尺寸。為了確定這一點(diǎn)，我使用了基于 IPC 2141 公式的在線微帶線阻抗計(jì)算器。
帶有接地層的簡(jiǎn)單 2 層板的阻抗計(jì)算結(jié)果。
在線計(jì)算器不會(huì)給出最準(zhǔn)確的結(jié)果，但上述結(jié)果說明了一個(gè)重要的觀點(diǎn)：您不可能在 2 層 PCB 上進(jìn)行阻抗控制并期望在布局中適合所有內(nèi)容。
這是我們需要為您的走線設(shè)置長(zhǎng)度限制的地方。當(dāng)信號(hào)在其上升時(shí)間內(nèi)行進(jìn)的距離遠(yuǎn)大于走線的長(zhǎng)度時(shí)，則走線的阻抗無關(guān)緊要。在這種情況下，信號(hào)只在傳播過程中看到負(fù)載的阻抗。確切的長(zhǎng)度限制取決于多種因素，但保守的規(guī)則是將走線長(zhǎng)度限制設(shè)置為信號(hào)傳播距離的 1/10。
舉個(gè)例子，讓我們使用上圖中的傳播延遲和 5 ns 上升時(shí)間信號(hào)。在上述情況下，傳播速度為 6 英寸/納秒。所以這意味著，如果我們有一個(gè) 5 ns 上升時(shí)間信號(hào)，那么該信號(hào)將在其上升時(shí)間內(nèi)行進(jìn) 30 英寸，因此我們的最大走線長(zhǎng)度將是該信號(hào)的 1/10，即 3 英寸。我們實(shí)際上可以比 1/10 的長(zhǎng)度限制更不保守。如果我們?cè)O(shè)置 1/4 的長(zhǎng)度限制，我們的最大走線長(zhǎng)度為 75 英寸。
與走線長(zhǎng)度相比，緩慢上升時(shí)間用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否需要在 2 層 PCB 上進(jìn)行緊密的阻抗匹配。
根據(jù)您在通道接收器端可以容忍的阻抗違規(guī)程度，只要長(zhǎng)度很短，您肯定可以自由地使用典型的數(shù)字協(xié)議來實(shí)現(xiàn) 2 層板。
一些數(shù)字信號(hào)的 2 層路由指南
這些基本指南的目標(biāo)是確保您的數(shù)字設(shè)計(jì)具有盡可能低的噪聲，鑒于 2 層板的結(jié)構(gòu)，這很困難。
在底層放置一個(gè)地平面，然后在頂層放置數(shù)字組件和布線。這不會(huì)幫助您在布線時(shí)進(jìn)行阻抗控制，但無論如何您都應(yīng)該這樣做以幫助控制噪聲并讓您輕松地通過通孔接地。
使用固定的走線寬度來路由電源和信號(hào)。8-10 mil 走線適合路由數(shù)字信號(hào)，12-14 mil 過孔適合將信號(hào)轉(zhuǎn)換回接地層。如果您使用高電流工作，電源可以用多邊形布線，但在大多數(shù)情況下，您可以使用更寬的走線。
使用去耦/旁路電容器以確保穩(wěn)定的電源和低接地反彈。2 層電路板可能會(huì)出現(xiàn)接地反彈，并且電源軌上可能會(huì)出現(xiàn)一些噪聲，但去耦/旁路電容器會(huì)抑制這種噪聲。
在我們 2 層板系列的下一部分中，我將展示如何為 USB 實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)指南，USB 絕對(duì)可以算作高速數(shù)字接口。如果您熟悉 USB，您就會(huì)知道它是一種快速接口，通常需要阻抗控制路由。但是，根據(jù)上面顯示的指南，您可以獲得使用此接口的功能性 2 層板。請(qǐng)注意，您可能沒有完全無噪聲的電路板，所以不要指望這種布局能夠通過EMC 測(cè)試。但是，作為您最喜歡的微控制器的開發(fā)板，它應(yīng)該可以正常工作。