2-lagiges PCB-Design, Durchgangsbohrtechnik und Masseebene

Ich entwerfe das Layout einer Leiterplatte für Audioanwendungen (keine digitale Elektronik, nur analoge).

Alle Komponenten sind durchgehend, die Leiterplatte ist ziemlich groß (ca. 16 cm x 10 cm) und hat 2 Schichten. Durchkontaktierte Löcher werden von der von mir verwendeten Technologie unterstützt. Die Schaltung hat eine doppelte Versorgung.

Welche (und warum) der folgenden Lösungen eignet sich am besten zum Weiterleiten von Signalen, Stromversorgungsschienen und Masse?

• OBERE Schicht: Grundebene; UNTEN Schicht: Signale und Versorgungsleitungen;
• TOP-Schicht: Signale und Stromversorgungsleitungen: BOTTOM-Schicht: Masseebene;
• TOP-Schicht: Masseebene und Versorgungsleitungen; UNTEN Schicht: Signale;
• TOP-Schicht: Signale; UNTEN Schicht: Masseebene und Versorgungsleitungen;

Ich denke, all diese anderen Antworten machen das Problem zu kompliziert. Durchgangslochdesigns sind in vielen Fällen legitim, ebenso wie 2-Schicht-Platten.

Ich würde empfehlen, eine Grundebene und eine Signal- / Leistungsebene zu verwenden, es sei denn, Sie haben einen Grund, dies nicht zu tun. Diese Entwurfsmethode hat sich bewährt und ich sehe keinen Grund, warum Sie sie nicht verwenden sollten. Ich denke, es spielt keine Rolle, auf welcher Seite Sie die Signale setzen.

Sie müssen einige Jumper in der Grundebene machen, aber dies verursacht keine Probleme, wenn Sie große Schnitte vermeiden. Ich habe ein schnelles und schreckliches Bild in Farbe gemacht, um Folgendes zu veranschaulichen:

Wie Neil erwähnt hat, sind Ihre Bodenrückführungswege wichtig. Sie sollten sie nicht einfach als fertig betrachten, wenn sie in die Bodenebene eintreten.

Die eine Methode, die ich empfehlen würde, ist die, die Sie nicht erwähnt haben.

Im Allgemeinen wird jede willkürliche Aufteilung von Räumen in Macht, Boden und Signale etwas Kummer bereiten, da es weder notwendig ist, sie so zu unterteilen, noch ausreicht, um ein gutes Ergebnis zu erzielen.

Wenn die Karte "schwierig" wäre, also gemischte analoge / digitale Hochgeschwindigkeitssignale, hohe Ströme, SMPS, wäre es von Vorteil, mit einer vollständigen Erdungsebene zu beginnen. Das reicht aber nicht aus, man muss wissen, wo die Rückströme fließen, denn man kann sich auch mit einer Grundebene noch in den Fuß schießen.

Ich würde Manhattan Layout mit einem Gitterboden empfehlen.

Der große Vorteil von Manhattan ist, dass Sie immer eine Route für Ihre Strecke finden können. Sie müssen niemals Kompromisse eingehen und ein Signal nehmen, das sich von seinem Rückweg entfernt, oder eine Grundebene abschneiden, um eine Spur durchzuschleichen und deren Integrität zu zerstören.

Beim Manhattan-Routing wird eine Schicht für Nord-Süd-Verbindungen und die andere Schicht für Ost-West-Verbindungen reserviert. Jetzt können Sie immer mit einer typischen Via von A nach B gelangen, und Sie müssen sich nie mehr fragen, wie Sie eine Spur überqueren können.

Jetzt haben Sie eine systematische Möglichkeit, Ihr Board zu routen. Beginnen Sie mit einem Gitterboden. Fügen Sie auf einer Ebene etwa alle 20 mm eine Spur in Spalten ein. Machen Sie auf der anderen Ebene dasselbe in Zeilen. Über sie zusammen an jeder Kreuzung. Jetzt haben Sie einen Boden, der fast so gut wie ein Flugzeug ist und weitaus besser genutzt werden kann, da beide Schichten noch verfügbar sind, um alle Ihre Kräfte und Signale zu leiten. Bewegen Sie die Bodenspuren ein wenig, um Ihre ICs auf jeden Fall aufzunehmen, aber bewegen Sie sie nicht zu weit auseinander.

Postscript - Grundebene versus Gitterboden.

Ich habe einige interessante Kommentare von Umberto, Scott und Olin erhalten, die darauf hindeuten, dass ich meinen Standpunkt nicht ganz verstanden habe. Ich werde vielleicht klären, was oben ist, während ich meine Argumentation unten dokumentiere.

Ich bin jetzt im Ruhestand und nach einer lebenslangen Betreuung von Nachwuchsingenieuren besteht eines der größten Probleme darin, ein schlechtes Design auf einer Grundplatte zu machen. Sie scheinen zu glauben, dass die Grundebene "sich um all das Isolationsmaterial kümmern wird", und sie hören auf zu denken. Infolgedessen führen sie hohe Ströme an empfindlichen Eingängen vorbei und erkennen ansonsten die Auswirkungen von Rückströmen nicht.

Um ihnen beim Debuggen dieser Platinen zu helfen, entferne ich die Masseebene und zwinge sie, alle Rückströme als diskrete Flüsse in separaten Spuren zu betrachten. Sobald der Täter gefunden und das Layout festgelegt wurde, kann der Boden wiederhergestellt werden.

Auf einem 4-Lagen-Brett gibt es genug Platz, um einen festen Boden zu schaffen. Auf einer 2-Lagen-Platine gibt es eine Prämie für den Routing-Platz. Aus diesem Grund ist Manhattan so nützlich, dass Sie jede Strecke systematisch von A nach B routen können. Wenn Sie eine Ihrer beiden Schichten dem Boden widmen, führt jedes nicht triviale Layout dazu, dass ein oder zwei (oder mehrere, hey, es ist nur noch eine) Spuren den Boden auseinander schneiden und seine Integrität zerstören.

Ohne Bodenebene ist ein Gitterboden das nächstbeste. Es ist flexibel, Sie können die Anzahl der Bodenspuren dort erhöhen, wo Sie möchten. Es ist vollständig kompatibel mit Manhattan Routing. Wenn Sie das Layout fertiggestellt haben, fluten Sie auf jeden Fall mit gemahlenem Kupfer. Sie werden am Ende etwas haben, das besser geroutet ist als eine zerhackte Grundebene, weil Sie über all die Rückströme nachdenken konnten, von denen Sie sonst gehofft hätten, dass sie in Ordnung sind.

Gutes Boarddesign ist fast so eine Kunst wie eine Wissenschaft. Sie können Künstlern nicht beibringen, etwas zu erschaffen, Sie können Ingenieuren nicht beibringen, zu „fühlen“, wo Ströme fließen werden, bis sie es „verstehen“. Das Entwerfen ohne Grundebene ist eine Möglichkeit, den Prozess des Erhaltens zu beschleunigen.

Alle Komponenten sind durch Loch

Allein aus diesem Grund würde ich die Verwendung einer Erdungsebene auf der Unterseite in Betracht ziehen, damit Komponenten montiert werden können, ohne sich Gedanken darüber zu machen, ob ihre Körper Kontakt mit geschliffenem Kupfer haben könnten.

Angesichts der Tatsache, dass es sich um eine Gitarreneffektbox handelt, die aufgrund fußgesteuerter Tasten und Bedienelemente möglicherweise viel Vibration und Bewegung aufweist, würde ich auch überlegen, wie Signale auch unter Komponenten komponiert werden, um das in meinem ersten Absatz erwähnte Problem zu vermeiden.

Aber warum sollten Sie sich auf zwei Ebenen beschränken? Entfernen Sie die Signalspuren vollständig von der obersten Ebene und verwenden Sie eine 4-Ebenen-Platine. Die Kosten wären nicht viel höher und Seelenfrieden ist eine gute Sache.

Keines Ihrer vorgeschlagenen Layouts ist gut. Ein besseres Schema als jedes von Ihnen erwähnte ist die Verwendung von SMD-Teilen. Dies hat eine Reihe von Vorteilen:

1. Eine viel größere Auswahl an Teilen ist verfügbar.

2. Die gleichen Teile werden billiger sein.

3. Das Löten der Teile auf die Platine erfordert viel weniger Aufwand und Zeit.

4. Sie haben mehr Flexibilität beim Routing.

Legen Sie für eine zweilagige Platte die Teile oben ab. Verwenden Sie die oberste Ebene für so viele Verbindungen wie möglich. Reservieren Sie die untere Schicht als Grundebene und verwenden Sie sie nur für kurze "Jumper" anderer Signale.

Halten Sie diese Jumper voneinander getrennt, damit Erdströme einzeln um sie herum fließen können. Sie möchten die maximale Abmessung eines Lochs in der Grundebene minimieren, nicht die Anzahl der Löcher. Anders ausgedrückt, viele kleine verteilte Störungen sind besser als eine einzelne große Störung.

Stellen Sie alle Erdungsverbindungen mit separaten Durchkontaktierungen direkt an jedem Pin her, der mit Masse verbunden werden muss. Dies macht jede Erdungsverbindung solide und minimiert auch die Erdungsverbindungen, die das Verlegen der anderen Leiterbahnen behindern.

Natürlich müssen Sie immer noch auf das Routing der Signalspuren achten. Bei Audio geht es darum, das Signal-Rausch-Verhältnis hoch zu halten. Verlegen Sie beispielsweise verstärkte Ausgangsspuren nicht in der Nähe von empfindlichen Eingangsspuren.

Weitere Informationen finden Sie in dieser Antwort.

Wenn Sie sich über Grundebenen wundern, müssen Sie das Durchgangsloch vergessen! Bei dedizierten Erdungs- und Leistungsschichten geht es darum, niederohmige Pfade für alle Ströme aufrechtzuerhalten. Durchgangslochkomponenten haben allein aufgrund ihrer sperrigen Größe und ihrer Drähte eine viel zusätzliche Impedanz.

Wenn Sie sich an das Durchgangsloch halten möchten, empfehle ich eine Platine, die dem Schaltplan ziemlich ähnlich sieht. Verwenden Sie Bodenbereiche sowohl in der Mitte der oberen als auch der unteren Schicht. Verwenden Sie die langen Kanten für V + - und V- -Pfade. Erstellen Sie "Kupferfinger" vom Boden zum V + / V- oder umgekehrt, um radiale Komponenten zu berücksichtigen. Wenn Ihre Verstärkerschaltung drei oder vier Spannungen benötigt, verwenden Sie die oberste Schicht für ein Spannungspaar und die hintere Schicht für das andere.

Bitte denken Sie auch daran, dass aus AC-Sicht V +, V- und GND genau gleich sind. Es ist genauso wichtig, V + und V- mit niedriger Impedanz zu haben wie GND.

Die untere Grundfüllung ist kontinuierlich, wo die V + / V- Finger den oberen brechen und umgekehrt. Verwenden Sie die Durchkontaktierungen der THT-Komponente für die Verbindung der beiden GND-Füllungen. Auf diese Weise geben Sie den Durchgangslöchern einen Existenzgrund. Verwenden Sie bei Bedarf zusätzliche Durchkontaktierungen.

Dies ist genau das Gegenteil von dem Platinendesign, das eine digitale Schaltung benötigt. Stellen Sie sich nun die Kopfschmerzen bei der Erstellung einer Mixed-Signal-Karte vor.