Слои печатной платы и плоскости земли

Сколько слоёв

Руководство TI SCAA082A даёт простую шкалу:

• два слоя — минимум для дорожек с контролируемым волновым сопротивлением (микрополосков): один слой — сигнальный, второй — сплошная земля;
• четыре слоя — лучше: плоскость земли, плоскость питания и два сигнальных слоя;
• шесть слоёв — для сложных схем, где сигналы из-за задержки или волнового сопротивления приходится вести полосковыми линиями между плоскостями.

Ещё до разводки SCAA082A советует узнать у изготовителя платы минимальные ширину и зазор дорожек, расстояние между слоями и возможности по отверстиям — от этого зависят толщины диэлектриков и ширина дорожек под нужное сопротивление. Волновое сопротивление микрополоска считает калькулятор.

Варианты стека

TI приводит в SCAA082A сравнение вариантов стека из анализа журнала Elektronik Praxis. Оценки — по четырём критериям: развязка питания, электромагнитная совместимость (ЭМС), целостность сигналов и собственные помехи. Сокращения: С — сигнальный слой, З — земля, П — питание.

Четыре слоя:

Шесть слоёв:

У четырёх слоёв идеального варианта нет — приходится выбирать, что важнее. У шести слоёв варианты 2 и 5 получили хорошие оценки по всем трём критериям.

Плоскость питания стоит располагать как можно ближе к плоскости земли: по SCAA082A между ними возникает ёмкостная связь, которая снижает сопротивление цепи питания на высоких частотах и уменьшает число маленьких блокировочных конденсаторов. Чем ближе плоскости, тем меньше сопротивление.

Плоскости земли и питания

Сплошную плоскость земли SCAA082A называет обязательной для быстрых схем, сплошную плоскость питания — желательной. Правила обращения с плоскостями из руководств TI:

• Вырезы и ряды отверстий. Каждый вырез в плоскости заставляет обратный ток обходить его — петля растёт (SZZA009). Если в плоскость приходится заводить дорожку, её ведут в плоскости питания, а не земли, и по краю, а не через середину.
• Выводы с шагом 2,54 мм. Между отверстиями выводов в плоскости оставляют перемычки меди: ряд отдельных отверстий намного лучше сплошной прорези, которая работает как щелевая антенна (SZZA009).
• Не перекрывать чужие плоскости. Плоскость питания должна лежать только над своей землёй; плоскости, которые не ссылаются друг на друга, не должны перекрываться — между ними возникает паразитная ёмкость, по которой помехи переходят из одной системы в другую (SCAA082A, SPRAAR7J).
• Одна опорная земля для быстрого сигнала. Если трасса всё же меняет опорную плоскость, плоскости сшивают переходными отверстиями рядом с сигнальными.

Разделять ли землю

Производители АЦП и ЦАП иногда советуют разделять аналоговую и цифровую землю. SCAA082A предупреждает, к чему это приводит:

• разделённая земля работает как щелевая антенна и излучает;
• сигнал, проведённый над зазором, не может вернуться прямо под дорожкой — образуется большая петля, и сигнал наводит помехи на чужую землю.

Лучше, по TI, — сплошная земля и зонирование: узлы размещают по функциям и ведут сигналы каждого узла только в его зоне, так что цифровые дорожки не проходят над аналоговой частью. SZZA009 добавляет порядок размещения: быстрая логика и микроконтроллер — ближе к источнику питания, медленные узлы — дальше, аналоговые — ещё дальше, а кварцевый резонатор — в стороне от аналоговых цепей, медленных сигналов и разъёмов.

Если разделение всё-таки нужно, SCAA082A требует: не вести сигналы над зазором, соединять земли в одной точке — несколько соединений создают земляные петли, — и не подключать блокировочные конденсаторы между питанием одного узла и землёй другого.

Двухслойная плата

По руководству TI SZZA009 двухслойная плата может достичь 95 % эффективности четырёхслойной, если повторить то, что делает четырёхслойную лучше:

• вести дорожки земли под дорожками питания;
• сделать из земли сетку: расширить все дорожки земли, залить свободное место землёй и поставить переходные отверстия там, где проводники земли на верхнем и нижнем слоях пересекаются; заливку соединять с землёй в двух точках и больше — заливка с одним соединением лишь экранирует, а с несколькими становится частью сетки;
• вести обратный проводник под сигнальными дорожками микроконтроллера;
• сделать под микроконтроллером сплошную медь земли, к которой подключены блокировочные конденсаторы и кварц.

SZZA009 называет сетку земли главным приёмом для двухслойных плат: она даёт обратный путь под каждым сигналом и снижает сопротивление между микроконтроллером и стабилизатором. Как разводить конденсаторы у выводов питания — в статье «Блокировочные конденсаторы и питание», толщина меди слоёв — в словаре на странице «Толщина меди».