您可以在 2 層 PCB 上路由數字信號嗎？

2021-10-20

您可以在 2 層 PCB 上路由數字信號嗎？

2 層 PCB 是愛好者最好的朋友。如果凈計數足夠低，它們很容易在您的設計軟件中定義，并且布線也很簡單。雖然我通常不會處理只能在 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，我想了解設計將使用高速串行接口的 2 層 PCB 的一些重要規則。只要遵循一些基本的布線規則，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容應該是在 2 層 PCB 布局中路由數字信號的起點。

需要注意的一點：您不應該期望該板能夠通過 EMC 測試而進入這樣的 2 層項目。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的因素。希望這能讓您很好地介紹如何在不產生信號完整性問題的情況下完成 2 層 PCB 的布局布線部分。

2 層數字電路板入門

2 層 PCB 布局很有趣，因為它們通常是大多數設計師的入門級。大多數涉及中等速度 MCU（可能是 5-10 ns 上升時間）、一個通用串行總線（如 SPI）和更簡單的高速數字接口的設計都可以在 2 層板上正常運行，只要它們不是太密集并且您不會違反一些基本的路由規則。然而，這些設計經常違反很多信號完整性規則并產生/接收過多的 EMI。因此，該板在技術上可能按您的預期運行，但它可能永遠無法通過 EMC 測試，因此您將無法出售它。

首先，在使用數字信號的 2 層板設計中需要考慮以下幾點：

阻抗控制：您的任何接口都需要阻抗控制嗎？如果是這樣，請記住，您不會在標準 PCB 厚度上達到阻抗要求。

走線長度：因為我們無法滿足 2 層板上的阻抗控制要求，所以我們必須將走線長度保持在某個臨界長度以下。一些接口對阻抗非常寬容并且具有很長的臨界長度，但您需要計算長度限制。

接地通路：為了確保數字路由中的低串擾和低 EMI，您需要提供具有清晰返回路徑的接地通路。

零件/網數：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。

數字信號和阻抗

在使用數字邏輯時，尤其是在 2 層板中，重要的是要注意并非所有數字信號都有阻抗要求。有時，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，因為走線的寬度需要具有特定值才能達到阻抗目標。

舉個例子，考慮一個標準厚度 62 mil 核心 (Dk = 4.8) 的 2 層板。如果我們想要達到標準的 50 歐姆阻抗目標，那么我們需要有 110 密耳的走線寬度！這是一個巨大的走線寬度，遠大于您將放置在真實電路板上的任何數字組件的焊盤尺寸。為了確定這一點，我使用了基于 IPC 2141 公式的在線微帶線阻抗計算器。

帶有接地層的簡單 2 層板的阻抗計算結果。

在線計算器不會給出最準確的結果，但上述結果說明了一個重要的觀點：您不可能在 2 層 PCB 上進行阻抗控制并期望在布局中適合所有內容。

這是我們需要為您的走線設置長度限制的地方。當信號在其上升時間內行進的距離遠大于走線的長度時，則走線的阻抗無關緊要。在這種情況下，信號只在傳播過程中看到負載的阻抗。確切的長度限制取決于多種因素，但保守的規則是將走線長度限制設置為信號傳播距離的 1/10。

舉個例子，讓我們使用上圖中的傳播延遲和 5 ns 上升時間信號。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 5 ns 上升時間信號，那么該信號將在其上升時間內行進 30 英寸，因此我們的最大走線長度將是該信號的 1/10，即 3 英寸。我們實際上可以比 1/10 的長度限制更不保守。如果我們設置 1/4 的長度限制，我們的最大走線長度為 75 英寸。

與走線長度相比，緩慢上升時間用于驗證設計是否需要在 2 層 PCB 上進行緊密的阻抗匹配。

根據您在通道接收器端可以容忍的阻抗違規程度，只要長度很短，您肯定可以自由地使用典型的數字協議來實現 2 層板。

一些數字信號的 2 層路由指南

這些基本指南的目標是確保您的數字設計具有盡可能低的噪聲，鑒于 2 層板的結構，這很困難。

在底層放置一個地平面，然后在頂層放置數字組件和布線。這不會幫助您在布線時進行阻抗控制，但無論如何您都應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。8-10 mil 走線適合路由數字信號，12-14 mil 過孔適合將信號轉換回接地層。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定的電源和低接地反彈。2 層電路板可能會出現接地反彈，并且電源軌上可能會出現一些噪聲，但去耦/旁路電容器會抑制這種噪聲。

在我們 2 層板系列的下一部分中，我將展示如何為 USB 實現這些設計指南，USB 絕對可以算作高速數字接口。如果您熟悉 USB，您就會知道它是一種快速接口，通常需要阻抗控制路由。但是，根據上面顯示的指南，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 測試。但是，作為您最喜歡的微控制器的開發板，它應該可以正常工作。