Двухслойная конструкция печатной платы, технология сквозных отверстий и заземление

Я думаю, что все эти другие ответы слишком усложняют проблему. Конструкции со сквозными отверстиями допустимы во многих случаях, как и двухслойные платы.

Я бы порекомендовал использовать плоскость заземления и плоскость сигнала/питания, если у вас нет причин не делать этого. Этот метод дизайна проверен и верен, и я не вижу причин, по которым вам не следует его использовать. Я думаю, что на самом деле не имеет значения, с какой стороны вы ставите сигналы.

Вам нужно будет сделать несколько перемычек на плоскости земли, но это не вызовет никаких проблем, если вы не будете делать большие разрезы. Я сделал быстрое и ужасное изображение в краске для иллюстрации:

Как упомянул Нил, ваши пути возврата по земле имеют значение, вы не должны просто считать их законченными, когда они входят в наземный план.

Один метод, который я бы рекомендовал, это тот, который вы не упомянули.

В общем, любое произвольное деление пространств на питание, землю, сигналы доставит вам некоторое огорчение, потому что разделять их таким образом не нужно, да и недостаточно для получения хорошего результата.

Если бы плата была «сложной», то есть смешивала аналоговые/цифровые сигналы, высокоскоростные сигналы, большие токи, SMPS, то было бы полезно начать с полной заземляющей пластины. Но этого недостаточно, нужно знать, откуда в нем текут обратные токи, ведь можно еще выстрелить себе в ногу, хоть и заземленным самолетом.

Я бы порекомендовал макет Манхэттена с сеткой.

Большим преимуществом Манхэттена является то, что вы всегда можете найти маршрут для своей трассы. Вам никогда не придется идти на компромисс и уводить сигнал извилистым маршрутом в сторону от его обратного пути или отрезать плоскость заземления, чтобы прокрасться через дорожку, нарушая ее целостность.

Манхэттенская маршрутизация предполагает выделение одного уровня для соединений Север-Юг, а другого уровня — для соединений Восток-Запад. Теперь вы всегда можете добраться из точки А в точку Б, как правило, с одним переходом, и вам никогда не придется задумываться о том, как пересечь дорогу.

Теперь у вас есть системный способ трассировки платы, начните с заземления с сеткой. На одном слое поместите дорожку через каждые 20 мм или около того столбцами. На другом слое сделайте то же самое рядами. Через них вместе на каждом перекрестке. Теперь у вас есть земля, которая почти так же хороша, как плоскость, и гораздо более удобна в использовании, потому что оба слоя по-прежнему доступны для маршрутизации всей вашей энергии и сигналов. Немного переместите наземные гусеницы, чтобы вместить ваши ИС во что бы то ни стало, но не раздвигайте их слишком далеко друг от друга.

Постскриптум - плоскость земли по сравнению с землей с сеткой.

Я получил несколько интересных комментариев от Умберто, Скотта и Олина, которые предполагают, что я не совсем понял свою точку зрения. Я, возможно, поясню, что выше, а ниже задокументирую свои рассуждения.

Сейчас я на пенсии, и после того, как я всю жизнь руководил младшими инженерами, одна из самых больших проблем, с которыми они сталкиваются, - это плохой проект на плате заземления. Кажется, они думают, что наземный план «позаботится обо всех этих вещах с изоляцией», и перестают думать. В результате они пропускают большие токи через чувствительные входы и в противном случае не могут обнаружить влияние обратных токов.

Чтобы помочь им в отладке этих плат, я удаляю заземляющий слой и заставляю их рассматривать все обратные токи как дискретные потоки на отдельных дорожках. Как только виновник будет найден, а макет исправлен, землю можно будет восстановить.

На 4-слойной плате достаточно места, чтобы выделить один для твердого заземления. На двухслойной плате больше места для маршрутизации. Вот почему Manhattan, который дает вам систематический способ маршрутизации любого трека от A до B, так полезен. Если вы посвятите один из ваших двух слоев земле, любая нетривиальная компоновка приведет к тому, что одна или две (или несколько, эй, это только еще одна) дорожки разрезают землю на части, нарушая ее целостность.

Без наземной плоскости лучше всего подойдет земля с сеткой. Это гибко, вы можете увеличить количество наземных дорожек там, где вам нужно. Он полностью совместим с манхэттенской маршрутизацией. Когда вы закончите разводку, обязательно залейте заземленной медью. Вы получите что-то, что лучше разведено, чем нарезанный заземляющий слой, потому что вы смогли подумать обо всех этих обратных токах, которые, возможно, в противном случае надеялись, что они будут в порядке.

Хороший дизайн доски — это почти столько же искусство, сколько и наука. Вы не можете научить художников творить, вы не можете научить инженеров «чувствовать», куда текут потоки, пока они не «поймут» это. Проектирование без заземления — это один из способов ускорить процесс «получения результата».

Все компоненты через отверстие

Только по этой причине я бы подумал об использовании заземляющей пластины внизу, чтобы можно было монтировать компоненты, не беспокоясь о том, могут ли их тела соприкасаться с заземляющей медью.

Учитывая, что это для блока гитарных эффектов с потенциально большой вибрацией и движением из-за кнопок и элементов управления с ножным управлением, я бы также рассмотрел, как сигналы направляются под компоненты, чтобы избежать проблемы, упомянутой в моем первом абзаце.

Но зачем ограничивать себя двумя слоями — полностью уберите сигнальные дорожки с верхнего слоя и используйте 4-слойную плату. Стоимость не будет намного больше, и душевное спокойствие - это хорошо.

Ни один из предложенных вами макетов не является хорошим. Лучшей схемой, чем любая, которую вы упомянули, является использование деталей SMD. Это имеет ряд преимуществ:

1. Доступен гораздо более широкий ассортимент запчастей.

2. Те же запчасти будут дешевле.

3. Гораздо меньше хлопот и времени займет припайка деталей к плате.

4. Это оставляет вам больше гибкости для маршрутизации.

Для двухслойной доски поместите детали сверху. Используйте верхний слой для максимально возможного количества межсоединений. Зарезервируйте нижний слой в качестве заземляющего слоя и используйте его только для коротких «перемычек» других сигналов.

Держите эти перемычки отдельно друг от друга, чтобы токи заземления могли протекать вокруг каждой из них отдельно. Вы хотите свести к минимуму максимальный размер любого отверстия в плоскости заземления, а не количество отверстий. Иными словами, множество мелких разбросанных сбоев лучше, чем один большой сбой.

Выполните все соединения заземления с отдельными переходными отверстиями рядом с каждым контактом, который должен быть подключен к земле. Это делает каждое заземляющее соединение прочным, а также сводит к минимуму количество заземляющих соединений, мешающих прокладке других дорожек.

Конечно, вы все равно должны обратить внимание на разводку сигнальных трасс. Аудио — это поддержание высокого отношения сигнал/шум. Например, не прокладывайте усиленные выходные трассы рядом с чувствительными входными трассами.

Для получения дополнительной информации см. этот ответ.

Если вас интересуют наземные плоскости, забудьте о сквозных отверстиях! Наличие выделенных слоев заземления и питания позволяет поддерживать пути с низким импедансом для всех токов. Компоненты со сквозным отверстием имеют значительный дополнительный импеданс только из-за их громоздких размеров и проводов.

Если вы хотите придерживаться сквозных отверстий, я рекомендую плату, которая очень похожа на схему. Используйте участки земли как в середине верхнего, так и в нижнем слое. Используйте длинные ребра для путей V+ и V-. Создайте «медные пальцы» от земли к V+/V- или наоборот для учета радиальных компонентов. Если вашей схеме усилителя требуется три или четыре напряжения, используйте верхний слой для одной пары напряжений и задний слой для другой.

Также помните, что с точки зрения переменного тока V+, V- и GND абсолютно одинаковы. Низкий импеданс V+ и V- так же важен, как и GND.

Нижняя засыпка грунта непрерывна, где пальцы V+/V- ломают верхнюю, и наоборот. Используйте переходные отверстия компонента THT для соединения двух проводников GND. Таким образом, вы даете сквозным отверстиям причину существования. При необходимости используйте дополнительные переходные отверстия.

Это полная противоположность конструкции платы, необходимой для цифровой схемы. Теперь представьте головную боль при создании платы смешанных сигналов.