Разводка платы: Разводка печатных плат

Трассировка печатной платы | Начало работы

Выбор расположения проводников и переходных отверстий на печатной плате часто считается простой задачей. После импорта платы и размещения компонентов, казалось бы, относительно легко выполнить их соединение с помощью меди. Хотя это могло быть правдой во времена низкоскоростных DIP компонентов с ТТЛ для простых плат, сегодняшние требования к проектированию намного сложнее. Трассировка проводников на печатной плате может иметь очень специфические требования для обеспечения целостности сигнала.

Хотя проводники могут иметь особые требования к трассировке, современные продвинутые инструменты трассировки печатных плат могут помочь вам настроить и соблюдать правила проектирования. Методы трассировки, которые вы будете использовать в своем проекте, зависят от стандарта передачи данных, с которым вы работаете, и требуемой конфигурации топологии. Если вы впервые проектируете печатную плату и готовы к этапу трассировки, не волнуйтесь, мы поможем вам развести печатную плату и определим требования к трассировке, которым вы должны следовать в процессе проектирования.

Печатные платы содержат медь, которая соединяет компоненты на наружных или во внутренних слоях, эта медь формирует проводники. Можно или нет назвать устройство «простым», зависит от нескольких факторов, которые определяют подходящую конфигурацию топологии, которую вы используете в своем проекте. Некоторые требования к проектированию топологии, которые можно найти в стандартах низкоскоростной и высокоскоростной передачи данных, содержат следующие утверждения:

• Пропускная способность проводников по току для плат большой мощности, может потребовать применения проводников большого размера или даже полигонов.
• Ширина проводников на плате, должна обеспечивать технологичность и положительным образом влиять на перекрестные помехи (т.е. на их отсутствие).
• Цепи с контролируемым импедансом должны быть выполнены проводниками определенной ширины, которая должна быть установлена по результатам анализа стека печатной платы.
• Должна быть определена конфигурация топологии, которая будет определять, как происходит соединение нескольких компонентов одной цепи.
• Общие потери в цепи, определяющие её максимально допустимую длину.
• Допустимый перекос в параллельных шинах данных и дифференциальных парах. Протоколы в которых необходима синхронизация с источником (SPI или I2C) и параллельные шины данных имеют максимальные характеристики перекоса.

Ваша задача как проектировщика— найти баланс всех этих параметров и определить, какие из пунктов в приведенном выше списке наиболее важны для разных цепей. Например, для высокоскоростных плат, содержащих дифференциальные пары, важен контроль импеданса, а платы большой мощности постоянного тока должны иметь широкие дорожки, для которых контроль импеданса не обязателен.

Для начала давайте рассмотрим некоторые требования к трассировке более простых плат, а затем перейдем к более сложным проектам.

Трассировка «простой» печатной платы

Если ваш проект не является высокоскоростным, он не должен быть достаточно плотно скомпонован, чтобы создавать проблемы с перекрестными помехами, и ваши проводники не должны пропускать большие токи, тогда вы можете выбрать ширину дорожки, которая соответствует контактам и выводам ваших компонентов. В таких проектах можно использовать дорожки шириной от 5 до 15 мил, поскольку они достаточно малы, чтобы их можно было присоединить непосредственно к контактным площадкам большинства компонентов. Базовый пример с операционным усилителем приведен ниже, на нем проводники расположены между низкоскоростной микросхемой, и несколькими резисторами и конденсаторами.

Простая конструкция, вроде этой, не приводит к проблемам с импедансом, выбору конфигурации топологии или необходимости коммутации больших токов. Однако, очень немногие современные проекты настолько просты, что не требуют определенного уровня проектирования топологии или определения правил трассировки.

Правила трассировки для современных печатных плат

Современные платы, даже те, в которых используются только простой микроконтроллер и каскады с низким энергопотреблением, требуют определенного уровня проектирования топологии и определения правил трассировки для обеспечения целостности сигнала. Разработчикам необходимо определить требования к геометрии проводников для своих межсоединений, чтобы гарантировать надежность и целостность сигнала.

1. Определите текущие требования к проводникам; топология цепей питания на печатной плате может пропускать большой ток.
2. Если ток будет очень низким (менее 1 А), определите, нужен ли контроль импеданса, просмотрев спецификации компонентов или стандарт передачи данных.
3. Рассчитайте ширину проводника, необходимую для достижения целевого импеданса, если требуется контроль импеданса. Также рассчитайте необходимое расстояние между проводниками, если требуется использовать дифференциальные пары.

Если требуется контроль импеданса, вполне вероятно, что топология будет реализована с использованием одиночных или дифференциальных линий. Обязательно проверьте стандарт передачи данных, чтобы определить требования к топологии, которые будут включать такие пункты, как бюджет потерь в проводниках (определяет общую длину цепи), требования к импедансу и допустимый перекос в дифференциальных парах или в параллельной шине.

• Узнайте больше о проектировании проводников для трассировки с контролем импеданса (Статья на английском языке)
• Узнайте больше о проектировании проводников для печатных плат большой мощности (Статья на английском языке)

После того как вы определили какие-либо требования к трассировке на своей плате, вы можете установить правила проектирования для конкретных цепей в своем проекте.

Это включает в себя установку минимальной или максимальной ширины трассы в правилах проектирования. Ваши инструменты для выполнения трассировки будут использовать эти данные для установки ширины проводника в процессе трассировки.

Когда при компоновке печатной платы потребуется выполнить контроль импеданса, его нужно будет определить одним из нескольких методов. Существуют формулы, которые вы можете использовать для определения импеданса в вашей конструкции, или вы можете использовать более специализированные приложения для расчета импеданса для вашего проекта. Значение импеданса одиночных и дифференциальных линий определяет геометрию проводника, при соблюдении которой требования будут выполнены.

• Подробнее об определении импеданса микрополосковой линии передачи 
  (Статья на английском языке)
• Подробнее об определении импеданса симметричной полосковой линии передачи (Статья на английском языке)

Самый быстрый способ определить импеданс — это использовать программное обеспечение для проектирования печатных плат со встроенным калькулятором импеданса. Не все приложения для проектирования печатных плат содержат такие утилиты, а те которые содержат дают результаты с разным уровнем точности. Лучшие приложения для проектирования печатных плат будут иметь анализатор электромагнитного поля, который автоматически рассчитывает требуемую геометрию трассы. Этот инструмент принимает информацию о диэлектрической проницаемости и шероховатости меди на вашей печатной плате и использует ее для расчета ширины проводника и расстояния между проводниками дифференциальных пар, необходимого для достижения целевого импеданса.

Layer Stack Manager в Altium Designer содержит вычислитель электромагнитного поля от Simberian, который обеспечивает высокоточные вычисления импеданса на желаемой частоте.

Топология определяет, как проводники располагаются между входами и выходами компонентов, а также как они разветвляются друг относительно друга для соединения нескольких компонентов. Например, трассировка DDR использует топологию Fly-by, когда одна шина разветвляется, чтобы соединить несколько компонентов устройства. В другом примере SPI использует аналогичную топологию шины данных, но с использованием оконечной нагрузки, расположенной в требуемых местах. Другие устройства могут использовать топологию point-to-point для доступа к нескольким компонентам, что наиболее часто встречается когда проект требует, чтобы один компонент взаимодействовал с несколькими нагрузками через один интерфейс ввода-вывода. Убедитесь, что понимаете конфигурацию топологии, требуемую вашим стандартом передачи данных, а также то, требуется ли в этих цепях контроль импеданса.

Проводники в топологии печатной платы прокладываются путем простого наведения и щелчка мышью в точках на плате. Попутно медные проводники будут зафиксированы в желаемой точке, в которой пользователь щелкает мышью, в конечном итоге формируя топологию до необходимой точки. С помощью инструментов трассировки в приложении редактора печатных плат можно автоматически поворачивать проводники при разводке (обычно под углом 45°), а также размещать переходные отверстия для соединения проводников между компонентами печатной платы.

Прежде чем начать трассировку, уделите время разработке стратегии для разных цепей, чтобы избежать чрезмерного использования переходных отверстий или необходимости добавления дополнительных слоев для выполнения проекта платы. Стратегия трассировки печатной платы будет зависеть от ее компоновки; если слишком много цепей пересекаются в компоновке печатной платы, вам будет труднее прокладывать проводники без использования дополнительных переходов между слоями. Иногда вам придется начинать с разводки самых простых цепей, так как они помогут вам определить, какие цепи потребуют больше времени и усилий для достижения оптимальной компоновки печатной платы.

• Подробнее о некоторых стратегиях прокладки проводников и компоновке печатной платы (Статья на английском языке)

Некоторые варианты трассировки могут быть очень сложными, например, выход из BGA. Этот проводник проходит через два переходных отверстия и в конечном итоге заканчивается на поверхностном слое.

Необходимо учитывать некоторые важные правила трассировки плат:

• Постарайтесь сохранить цепи с контролем импеданса для данного интерфейса или протокола передачи данных в одном слое печатной платы.
• Минимизируйте количество переходных отверстий в цепях высокоскоростных протоколов передачи данных и высокочастотных цепях.
• Будьте осторожны, чтобы не пересекать проводниками разрывы в полигонах, и отслеживайте обратный путь тока на вашей печатной плате; лучший способ сделать это — использовать однородные полигоны и слои заземления.
• Старайтесь, чтобы проводники были короткими и прямыми. Не делайте их длиннее, чем они должны быть
• Для трассировки сильноточных цепей не бойтесь использовать полигоны для формирования более широких проводников; полигоны можно использовать для получения проводников любой формы

Целостность сигнала — это один из факторов, который тесно связан с проектированием стека и трассировкой печатной платы. Расположение слоев с опорными полигонами земли/питания по отношению к сигнальным слоям и трассировке в целом, является основным фактором, определяющим целостность сигнала.

Трассировка по неразрывным участкам земли — это способ гарантировать, что ваша конструкция будет поддерживать целостность сигнала и не будет восприимчивой к электромагнитным помехам (перекрестные помехи, внешний высокочастотный шум, шум от сети питания и т. д.). Это простое руководство и правила выполнения трассировки, приведенные выше, помогут предотвратить или уменьшить проблемы с целостностью сигнала и обеспечить работоспособность вашей платы.

Лучшие инструменты выполнения трассировки, которые могут помочь вам придерживаться основных рекомендаций по трассировке печатных плат, будут интерактивными. Другими словами, эти инструменты являются полуавтоматическими, что позволяет определять маршруты для групп сигналов. Инструменты трассировки размещают проводники таким образом, чтобы они автоматически подчинялись вашим правилам проектирования. При этом типе трассировки правила проектирования для ваших цепей и групп цепей проверяются автоматически при создании компоновки печатной платы. Со многими бесплатными программами и программами для проектирования с открытым исходным кодом нужно все делать вручную, а продвинутые программы для проектирования печатных плат, такие как Altium Designer, помогут Вам оставаться продуктивными, работая над компоновкой и топологией печатной платы.

Функции интерактивной трассировки Altium Designer обеспечивают интеллектуальную полуавтоматическую трассировку печатных плат, которая подчиняется вашим правилам проектирования и основным требованиям к трассировке.

Трассировка печатных плат становится намного проще при условии использования полного набора инструментов для печатных плат в Altium Designer®. Правила проектирования, интегрированные в Altium Designer, автоматически проверяют топологию по мере размещения проводников, что позволяет выявлять и устранять ошибки до окончания работы над проектом платы. Каждый пользователь Altium Designer также имеет доступ к выделенному рабочему пространству на облачной платформе Altium 365 ™, где можно хранить проекты, данные о компонентах, производственные данные и любую другую проектную документацию и делиться ею с коллегами.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .

Приложение б Разводка печатных плат аналоговых и цифровых схем

Технологии разводки печатных плат для аналоговых и цифро­вых схем при некотором сходстве методов для обоих типов схем имеют и оп­ределённые различия, которые могут усложнить оптимальную разводку даже от­носительно простой печатной платы.

1. Обшие подходы и отличия

Между практикой разводки аналоговых и цифровых схем много общего. Цифровые системы становятся всё более быстродействующими, что делает их всё больше похожими на аналоговые. Когда говорят об общих аспектах этих двух об­ластей схемотехники, то имеют в виду, например, одинаковые методы примене­ния развязывающих конденсаторов и слоев разводки питания. Различия прояв­ляются при анализе шумов, вызванных переключениями, и расположения уст­ройств на печатной плате.

1.1 Развязывающие конденсаторы

Разводка как аналоговых, так и цифровых схем не обходится без применения развязывающих конденсаторов. В обоих случаях конденсаторы должны устанав­ливаться как можно ближе к выводам питания устройства. Как правило, ёмкость такого конденсатора выбирается равной 0,1 мкФ, хотя иногда используют и кон­денсаторы ёмкостью 1 мкФ (в низкочастотных цепях) или 0,01 мкФ (в высоко­частотных). Ещё один конденсатор следует установить вблизи точки подключения источника питания, обычно его ёмкость составляет около 10 мкФ. Вопросы выбора подходящей ёмкости конденсатора относятся к схемотехнике. На рис. ПБ1 показано размещение этих конденсаторов.

Рисунок ПБ1

При разработке печатных плат для аналоговых и цифровых схем развязывающие

кон­денсаторы ёмкостью 0,1 мкФ необходимо размешать как можно ближе к устройству, а развязывающие конденсаторы ёмкостью 10 мкФ — как можно ближе к источнику пи­тания или там, где на плату вводятся шины питания.

Все конденсаторы должны иметь по возможности минимальную длину выводов.

Их ёмкости могут из­меняться в большую или меньшую сторону (в 10 раз), но выводы обоих конденса­торов должны быть по возможности короткими. Более короткие выводы имеют меньшую индуктивность, что снижает вероятность возникновения резонанса в схеме. Конденсатор меньшей ёмкости должен располагаться как можно ближе к устройству, а конденсатор большей ёмкости — как можно ближе к источнику пи­тания.

Установка развязывающих конденсаторов необходима как для аналоговых, так и для цифровых схем, но по разным причинам. При разводке аналоговой схемы развязывающие конденсаторы устанавливаются для отвода вы­сокочастотных шумов с шины питания на землю. В противном случае, шумы мо­гут попасть через вывод питания во внутренние цепи чувствительной аналоговой микросхемы. Обычно эти паразитные ВЧ сигналы имеют частоты, ко­торые аналоговые устройства не способны подавить, поэтому при отсутствии раз­вязывающего конденсатора на выводах питания шумы попадут в сигнальную цепь, или, что ещё хуже, вызовут генерацию.

Для цифровых устройств (контроллеров, процессоров и т.д.) также необходи­мо устанавливать развязывающий конденсатор на выводах питания, но причина здесь другая. Одной из функций таких конденсаторов является накопление заря­да, т.е. они служат для временного хранения заряда. В цифровых схемах при пере­ключениях часто изменяются состояния логических элементов и возникают зна­чительные переходные токи. В этом случае такие дополнительные источники за­ряда позволяют уменьшить последствия переходных процессов, стабилизируя напряжение источника питания. Если бы подобные источники дополнительного заряда отсутствовали, то это могло бы привести к значительным динамическим и статическим перепадам напряжения питания. При больших перепадах напряже­ния питания может возникнуть ситуация, когда уровни цифровых сигналов при­мут неопределённое состояние, в результате чего конечные автоматы цифровых устройств будут работать с ошибками.

Ток переключения, протекающий по дорожке печатной платы, приводит к скачкам напряжения питания из-за паразитной индуктивности проводников. Перепад напряжения в этом случае можно определить по формуле:

,

где V — изменение напряжения,

L — индуктивность проводника на печатной плате,

δI — изменение тока в проводнике,

δt — время изменения тока.

Как видно, имеются веские причины, чтобы шунтировать источник питания и выводы питания всех активных устройств по переменному току.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• Четыре-но-четыре

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

7-сегментный дисплей — светодиод (красный)

Нет в наличии COM-08546

1

Избранное Любимый 20

Список желаний

Литий-ионный аккумулятор — 2200 мАч, 7,4 В

Нет в наличии ПРТ-11856

Избранное Любимый 14

Список желаний

Комплект краевого света

В наличии КОМПЛЕКТ-19791

25,00 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

МИКРОЭ MiWi 2 Click

Нет в наличии ВРЛ-20020

24,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

GPS RTK от SparkFun воплощает в жизнь мечты об спортивном ориентировании

4 августа 2020 г.

Когда требуется GPS-модуль с небольшой площадью основания и исключительной точностью, GPS-RTK2 — это то, что нужно.

Избранное Любимый 0

Близкое и индивидуальное измерение расстояния

11 февраля 2022 г.

Датчик расстояния SparkFun VL53L4CD Qwiic вместе с новой трюмной помпой 500GPH!

Избранное Любимый 0

Направляющая для подключения экрана GPS

9 марта 2015 г.

В этом руководстве показано, как начать работу с SparkFun GPS Shield, а также считывать и анализировать данные NMEA с помощью обычного приемника GPS.

Избранное Любимый 6

Руководство по подключению SparkFun GPS-RTK Dead Reckoning ZED-F9K

6 января 2022 г.

u-blox ZED-F9K — это мощное устройство GPS-RTK, которое использует сочетание IMU, импульсов колес, модели динамики транспортного средства, данных коррекции и измерений GNSS для обеспечения высокоточного и непрерывного определения местоположения для плавание в сложных условиях. Мы быстро настроим вас на использование экосистемы Qwiic через Arduino, чтобы вы могли начать читать вывод!

Избранное Любимый 1

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Дом
• Вупси-Дейзи

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Фитиль для припоя №2 25 футов. — Техспрей

29 в наличии ТОЛ-08775

32,50 $

4

Избранное Любимый 18

Список желаний

Низкопрофильные тиски Nomad

В наличии ТОЛ-14792

120,00 $

Избранное Любимый 1

Список желаний

Источник питания постоянного тока — 12,6 В, 10 А

В наличии ПРТ-18722

24,95 $

Избранное Любимый 1

Список желаний

Мини-панель солнечных батарей — 0,3 Вт, 2 В (ETFE)

Нет в наличии ПРТ-18723

Избранное Любимый 0

Список желаний

Учитесь дома: 15 лучших концепций и практических руководств SparkFun

7 апреля 2020 г.