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您可以在 2 层 PCB 上路由数字信号吗？
您可以在 2 层 PCB 上路由数字信号吗？
2 层 PCB 是爱好者最好的朋友。如果净计数足够低，它们很容易在您的设计软件中定义，并且布线也很简单。虽然我通常不会处理只能在 2 层上完成的工作，但知道如何正确使用这些板仍然很重要。如果你很聪明，你甚至可以使用这些板来路由一些高速接口。
在本文中，我想了解设计将使用高速串行接口的 2 层 PCB 的一些重要规则。只要遵循一些基本的布线规则，就可以在 2 层电路板上轻松完成 USB 或 SPI 之类的操作。我将在下面介绍的内容应该是在 2 层 PCB 布局中路由数字信号的起点。
需要注意的一点：您不应该期望该板能够通过 EMC 测试而进入这样的 2 层项目。确保 EMC 将取决于许多与电源、接地、外壳、板上的组件和电路以及许多其他因素相关的因素。希望这能让您很好地介绍如何在不产生信号完整性问题的情况下完成 2 层 PCB 的布局布线部分。
2 层数字电路板入门
2 层 PCB 布局很有趣，因为它们通常是大多数设计师的入门级。大多数涉及中等速度 MCU（可能是 5-10 ns 上升时间）、一个通用串行总线（如 SPI）和更简单的高速数字接口的设计都可以在 2 层板上正常运行，只要它们不是太密集并且您不会违反一些基本的路由规则。然而，这些设计经常违反很多信号完整性规则并产生/接收过多的 EMI。因此，该板在技术上可能按您的预期运行，但它可能永远无法通过 EMC 测试，因此您将无法出售它。
首先，在使用数字信号的 2 层板设计中需要考虑以下几点：
阻抗控制：您的任何接口都需要阻抗控制吗？如果是这样，请记住，您不会在标准 PCB 厚度上达到阻抗要求。
走线长度：因为我们无法满足 2 层板上的阻抗控制要求，所以我们必须将走线长度保持在某个临界长度以下。一些接口对阻抗非常宽容并且具有很长的临界长度，但您需要计算长度限制。
接地通路：为了确保数字路由中的低串扰和低 EMI，您需要提供具有清晰返回路径的接地通路。
零件/网数：在 2 层板上，您的布线空间有限，因此您不能有太多零件。一旦您尝试包含太多部件并且布线中有很多交叉，您将不得不使用 4 层板，或者您将不得不使您的 2 层板太大。
数字信号和阻抗
在使用数字逻辑时，尤其是在 2 层板中，重要的是要注意并非所有数字信号都有阻抗要求。有时，如果他们这样做，您可以违反它并且界面将正常工作。这在 2 层板中很重要，因为走线的宽度需要具有特定值才能达到阻抗目标。
举个例子，考虑一个标准厚度 62 mil 核心 (Dk = 4.8) 的 2 层板。如果我们想要达到标准的 50 欧姆阻抗目标，那么我们需要有 110 密耳的走线宽度！这是一个巨大的走线宽度，远大于您将放置在真实电路板上的任何数字组件的焊盘尺寸。为了确定这一点，我使用了基于 IPC 2141 公式的在线微带线阻抗计算器。
带有接地层的简单 2 层板的阻抗计算结果。
在线计算器不会给出最准确的结果，但上述结果说明了一个重要的观点：您不可能在 2 层 PCB 上进行阻抗控制并期望在布局中适合所有内容。
这是我们需要为您的走线设置长度限制的地方。当信号在其上升时间内行进的距离远大于走线的长度时，则走线的阻抗无关紧要。在这种情况下，信号只在传播过程中看到负载的阻抗。确切的长度限制取决于多种因素，但保守的规则是将走线长度限制设置为信号传播距离的 1/10。
举个例子，让我们使用上图中的传播延迟和 5 ns 上升时间信号。在上述情况下，传播速度为 6 英寸/纳秒。所以这意味着，如果我们有一个 5 ns 上升时间信号，那么该信号将在其上升时间内行进 30 英寸，因此我们的最大走线长度将是该信号的 1/10，即 3 英寸。我们实际上可以比 1/10 的长度限制更不保守。如果我们设置 1/4 的长度限制，我们的最大走线长度为 75 英寸。
与走线长度相比，缓慢上升时间用于验证设计是否需要在 2 层 PCB 上进行紧密的阻抗匹配。
根据您在通道接收器端可以容忍的阻抗违规程度，只要长度很短，您肯定可以自由地使用典型的数字协议来实现 2 层板。
一些数字信号的 2 层路由指南
这些基本指南的目标是确保您的数字设计具有尽可能低的噪声，鉴于 2 层板的结构，这很困难。
在底层放置一个地平面，然后在顶层放置数字组件和布线。这不会帮助您在布线时进行阻抗控制，但无论如何您都应该这样做以帮助控制噪声并让您轻松地通过通孔接地。
使用固定的走线宽度来路由电源和信号。8-10 mil 走线适合路由数字信号，12-14 mil 过孔适合将信号转换回接地层。如果您使用高电流工作，电源可以用多边形布线，但在大多数情况下，您可以使用更宽的走线。
使用去耦/旁路电容器以确保稳定的电源和低接地反弹。2 层电路板可能会出现接地反弹，并且电源轨上可能会出现一些噪声，但去耦/旁路电容器会抑制这种噪声。
在我们 2 层板系列的下一部分中，我将展示如何为 USB 实现这些设计指南，USB 绝对可以算作高速数字接口。如果您熟悉 USB，您就会知道它是一种快速接口，通常需要阻抗控制路由。但是，根据上面显示的指南，您可以获得使用此接口的功能性 2 层板。请注意，您可能没有完全无噪声的电路板，所以不要指望这种布局能够通过EMC 测试。但是，作为您最喜欢的微控制器的开发板，它应该可以正常工作。