Projeto de placa de circuito impresso de 2 camadas, com tecnologia de furos e plano de aterramento

Estou projetando o layout de uma PCB para aplicativos de áudio (sem eletrônica digital, apenas analógica).

Todos os componentes são orifícios, o PCB é bastante grande (cerca de 16 cm x 10 cm) e possui 2 camadas. O furo passante revestido é suportado pela tecnologia que estou usando. O circuito tem uma fonte dupla.

Qual (e por que) das seguintes alternativas é a melhor solução para rotear sinais, faixas da fonte de alimentação e terra?

• Camada TOP: plano do solo; Camada INFERIOR: sinais e linhas de suprimento;
• Camada SUPERIOR: sinais e linhas de alimentação: camada INFERIOR: plano de terra;
• Camada TOP: plano de aterramento e linhas de suprimento; Camada INFERIOR: sinais;
• Camada TOP: sinais; Camada INFERIOR: plano de terra e linhas de suprimento;

Eu acho que todas essas outras respostas estão complicando demais a questão. Os projetos de furo passante são legítimos em muitos casos, assim como as placas de 2 camadas.

Eu recomendaria usar um plano de aterramento e um plano de sinal / potência, a menos que você tenha um motivo para não fazê-lo. Esse método de design é testado e verdadeiro e não vejo nenhum motivo para você não usá-lo. Eu acho que realmente não importa de que lado você coloca os sinais.

Você precisará fazer alguns jumpers no plano de terra, mas isso não causará problemas se você evitar grandes cortes. Fiz uma imagem rápida e terrível em tinta para ilustrar:

Como Neil mencionou, seus caminhos de retorno ao solo são importantes, você não deve apenas considerá-los terminados quando entrarem no plano do solo.

O único método que eu recomendo é o que você não mencionou.

Geralmente, qualquer divisão arbitrária de espaços em poder, terra, sinais, vai causar um pouco de tristeza, porque não é necessário particioná-los dessa maneira, nem suficiente para obter um bom resultado.

Se a placa fosse 'difícil', com sinais mistos analógicos / digitais, alta velocidade, altas correntes, SMPS, seria benéfico começar com um plano de terra completo. Mas isso não é suficiente, você precisa saber para onde as correntes de retorno estão fluindo, porque você ainda pode dar um tiro no próprio pé, mesmo com um plano de terra.

Eu recomendaria o layout de Manhattan, com uma área de grade.

O grande benefício de Manhattan é que você sempre pode encontrar uma rota para sua pista. Você nunca precisa comprometer e sinalizar uma rota sinuosa para longe do caminho de retorno ou cortar um plano de aterrissagem para percorrer uma pista, destruindo sua integridade.

O roteamento de Manhattan envolve dedicar uma camada para conexões Norte-Sul e a outra camada para conexões Leste-Oeste. Agora você sempre pode ir de A a B normalmente com uma via e nunca precisa se perguntar como pode atravessar uma pista.

Agora você tem uma maneira sistêmica de rotear sua prancha, comece com um terreno de grade. Em uma camada, coloque uma faixa a cada 20 mm ou mais, em colunas. Na outra camada, faça o mesmo em linhas. Via-os juntos em todos os cruzamentos. Agora você tem um terreno que é quase tão bom quanto um avião e muito mais utilizável, porque as duas camadas ainda estão disponíveis para direcionar toda a sua energia e sinais. Mova as trilhas do solo um pouco para acomodar seus CIs de todas as formas, mas não as afaste muito.

Postscript - plano de terra versus solo de grade.

Eu tive alguns comentários interessantes de Umberto, Scott e Olin, que sugerem que eu não entendi direito. Talvez eu esclareça o que está acima, enquanto documenta meu raciocínio abaixo.

Agora estou aposentado e, depois de uma vida inteira orientando engenheiros juniores, um dos maiores problemas que enfrentam é fazer um projeto ruim em uma placa de plano de terra. Eles parecem pensar que o plano de terra "cuidará de todo esse material de isolamento" e param de pensar. Como resultado, eles executam altas correntes além de entradas sensíveis e, de outra forma, não conseguem identificar os efeitos das correntes de retorno.

Para ajudá-los a depurar essas placas, removo o plano de terra e forço-as a considerar todas as correntes de retorno como fluxos discretos em trilhas separadas. Depois que o culpado for encontrado e o layout corrigido, o terreno poderá ser restaurado.

Em uma placa de 4 camadas, há espaço suficiente para dedicar uma a uma base sólida. Em uma placa de duas camadas, há um prêmio no espaço de roteamento. É por isso que Manhattan, que oferece uma maneira sistemática de rotear qualquer faixa de A a B, é tão útil. Se você dedicar uma de suas duas camadas ao chão, qualquer layout não trivial resultará em uma ou duas (ou várias, ei, é apenas mais uma) faixas cortando o chão, destruindo sua integridade.

Sem um plano de terra, um solo de grade é a próxima melhor coisa. É flexível, você pode aumentar o número de trilhas terrestres onde precisar. É totalmente compatível com o roteamento de Manhattan. Quando você terminar o layout, por todo o lado, inundar com cobre moído. Você terminará com algo melhor encaminhado do que um avião terrestre picado, porque foi capaz de pensar em todas as correntes de retorno que, de outra forma, poderia esperar que fossem boas.

Um bom design de quadro é quase tanto uma arte quanto uma ciência. Você não pode ensinar os artistas a criar, não pode ensinar os engenheiros a "sentirem" onde as correntes vão fluir, até que elas "entendam". Projetar sem um plano de aterramento é uma maneira de acelerar o processo de obtenção.

Todos os componentes são passados

Por esse motivo, eu consideraria o uso de um plano de aterramento na parte inferior para que os componentes possam ser montados sem se preocupar se seus corpos poderiam entrar em contato com o cobre.

Dado que é para uma caixa de efeitos de guitarra com potencialmente muita vibração e movimento devido a botões e controles controlados pelos pés, eu também consideraria como os sinais também são roteados sob componentes, a fim de evitar o problema mencionado no meu primeiro parágrafo.

Mas, por que limitar-se a duas camadas - retire completamente as faixas de sinal da camada superior e use uma placa de 4 camadas. O custo não seria muito maior e a paz de espírito é uma coisa boa.

Nenhum dos layouts propostos é bom. Um esquema melhor do que o mencionado é o uso de peças SMD. Isso tem várias vantagens:

1. Uma gama muito maior de peças está disponível.

2. As mesmas peças serão mais baratas.

3. Levará muito menos problemas e tempo para soldar as peças na placa.

4. Isso deixa mais flexibilidade para o roteamento.

Para uma placa de duas camadas, coloque as peças na parte superior. Use a camada superior para o máximo possível de interconexões. Reserve a camada inferior como um plano de terra e use-a apenas para "jumpers" curtos de outros sinais.

Mantenha esses jumpers separados um do outro para que as correntes de terra possam fluir em torno de cada um individualmente. Você deseja minimizar a dimensão máxima de qualquer furo no plano de terra, não o número de furos. Dito de outra forma, muitas pequenas interrupções dispersas são melhores do que uma única grande interrupção.

Faça todas as conexões de aterramento com vias separadas à direita de cada pino que deve ser conectado ao terra. Isso torna cada conexão de terra sólida e também minimiza as conexões de terra atrapalhando o roteamento dos outros traços.

Claro que você ainda precisa prestar atenção ao roteamento dos traços de sinal. O áudio tem tudo a ver com manter a relação sinal / ruído alta. Não direcione traços de saída amplificados perto de traços de entrada sensíveis, por exemplo.

Para mais informações, consulte esta resposta.

Se você está se perguntando sobre os planos de terra, deve esquecer o orifício de passagem! Ter camadas dedicadas de terra e energia é sobre a manutenção de caminhos de baixa impedância para todas as correntes. Os componentes do orifício de passagem têm muita impedância adicional apenas pelo tamanho volumoso e pelos fios.

Se você deseja manter o furo passante, recomendo uma placa que se assemelhe ao esquema. Use áreas de solo no meio da camada superior e inferior. Use as arestas longas para os caminhos V + e V-. Crie "dedos de cobre" do chão para V + / V- ou vice-versa para considerar os componentes radiais. Se o seu circuito amplificador precisar de três ou quatro voltagens, use a camada superior para um par de voltagens e a camada traseira para a outra.

Lembre-se também de que, na visão CA, V +, V- e GND são iguais. É tão importante ter baixa impedância V + e V- quanto GND.

O preenchimento do solo inferior é contínuo, onde os dedos V + / V- quebram o superior e vice-versa. Use as vias do componente THT para a conexão dos dois preenchimentos GND. Dessa forma, você dá aos orifícios uma razão para a existência. Use vias adicionais sempre que necessário.

Isso é exatamente o oposto do design da placa que um circuito digital precisa. Agora imagine as dores de cabeça de criar uma placa de sinal misto.