Diseño de PCB de 2 capas, tecnología de orificio pasante y plano de tierra

Estoy diseñando el diseño de una PCB para aplicaciones de audio (sin electrónica digital, solo analógica).

Todos los componentes son a través del orificio, la PCB es bastante grande (aproximadamente 16 cm x 10 cm) y tiene 2 capas. Los orificios pasantes están respaldados por la tecnología que estoy usando. El circuito tiene un doble suministro.

¿Cuál (y por qué) de las siguientes es la mejor solución para enrutar señales, pistas de alimentación y tierra?

• Capa SUPERIOR: plano de tierra; Capa INFERIOR: señales y líneas de suministro;
• Capa SUPERIOR: señales y líneas de suministro de energía: capa INFERIOR: plano de tierra;
• Capa SUPERIOR: plano de tierra y líneas de suministro; Capa INFERIOR: señales;
• Capa SUPERIOR: señales; Capa INFERIOR: plano de tierra y líneas de suministro;

Creo que todas estas otras respuestas están complicando demasiado el problema. Los diseños de agujeros pasantes son legítimos en muchos casos, y también lo son los tableros de 2 capas.

Recomendaría usar un plano de tierra y un plano de señal / potencia a menos que tenga una razón para no hacerlo. Este método de diseño es probado y verdadero y no veo ninguna razón por la que no deba usarlo. Creo que realmente no importa de qué lado pongas las señales.

Tendrá que hacer algunos puentes en el plano de tierra, pero esto no causará ningún problema si evita hacer cortes grandes. Hice una imagen rápida y terrible en pintura para ilustrar:

Como mencionó Neil, sus rutas de retorno terrestre son importantes, no debe considerarlas terminadas cuando ingresan al plano terrestre.

El único método que recomendaría es el que no ha mencionado.

En general, cualquier división arbitraria de espacios en potencia, tierra, señales, le dará algo de pena, porque no es necesario dividirlos así, ni es suficiente para obtener un buen resultado.

Si la placa fuera 'difícil', así que mezcla señales analógicas / digitales, de alta velocidad, altas corrientes, SMPS, entonces sería beneficioso comenzar con un plano de tierra completo. Pero eso no es suficiente, necesita saber dónde fluyen las corrientes de retorno, ya que aún puede dispararse en el pie, incluso con un plano de tierra.

Recomendaría el diseño de Manhattan, con un terreno cuadriculado.

El gran beneficio de Manhattan es que siempre puede encontrar una ruta para su pista. Nunca tiene que comprometerse y tomar una señal de una ruta serpenteante lejos de su camino de regreso, o cortar un avión terrestre para escabullirse, destruyendo su integridad.

El enrutamiento de Manhattan implica dedicar una capa para las conexiones Norte-Sur y la otra capa para las conexiones Este-Oeste. Ahora siempre puede pasar de A a B con una sola vía, y nunca tendrá que preguntarse cómo puede cruzar una pista.

Ahora que tiene una forma sistémica de enrutar su tablero, comience con un terreno cuadriculado. En una capa, coloque una pista cada 20 mm más o menos, en columnas. En la otra capa, haz lo mismo en filas. Víalos juntos en cada intersección. Ahora tiene un terreno que es casi tan bueno como un avión, y mucho más utilizable, porque ambas capas aún están disponibles para enrutar toda su potencia y señales. Mueva las pistas de tierra un poco para acomodar sus circuitos integrados por todos los medios, pero no los separe demasiado.

Postdata - plano de tierra versus tierra cuadriculada.

He recibido algunos comentarios interesantes de Umberto, Scott y Olin, que sugieren que aún no he entendido bien. Quizás aclararé lo que está arriba, mientras documentaré mi razonamiento a continuación.

Ahora estoy retirado, y después de toda una vida asesorando a ingenieros junior, uno de los mayores problemas que enfrentan es hacer un diseño deficiente en una placa de avión. Parecen pensar que el plano de tierra 'se encargará de todas esas cosas de aislamiento', y dejan de pensar. Como resultado, corren altas corrientes más allá de las entradas sensibles, y de lo contrario no pueden detectar los efectos de las corrientes de retorno.

Para ayudarlos a depurar estos paneles, elimino el plano de tierra y los obligo a considerar todas las corrientes de retorno como flujos discretos en pistas separadas. Una vez que se ha encontrado al culpable y se ha solucionado el diseño, se puede restaurar el terreno.

En un tablero de 4 capas, hay suficiente espacio para dedicar uno a una tierra sólida. En una placa de 2 capas, hay una prima en el espacio de enrutamiento. Es por eso que Manhattan, que le brinda una forma sistemática de enrutar cualquier pista de A a B, es tan útil. Si dedica una de sus 2 capas al suelo, cualquier diseño no trivial dará como resultado una o dos (o varias, oye, es solo una más) pistas cortando el suelo, destruyendo su integridad.

Sin plano de tierra, una tierra cuadriculada es la mejor opción. Es flexible, puede aumentar la cantidad de pistas de tierra donde lo necesite. Es totalmente compatible con el enrutamiento de Manhattan. Cuando haya terminado el diseño, por supuesto inunde con cobre molido. Terminarás con algo que está mejor encaminado que un plano terrestre cortado, porque has podido pensar en todas esas corrientes de retorno que de otro modo hubieras esperado que estuvieran bien.

Un buen diseño de tablero es casi tanto un arte como una ciencia. No se puede enseñar a los artistas a crear, no se puede enseñar a los ingenieros a "sentir" dónde van a fluir las corrientes, hasta que "lo entiendan". Diseñar sin un plano de tierra es una forma de acelerar el proceso de 'conseguirlo'.

Todos los componentes son a través del orificio

Solo por esta razón, consideraría usar un plano de tierra en la parte inferior para que los componentes se puedan montar sin preocuparse de si sus cuerpos podrían hacer contacto con el cobre molido.

Dado que es para una caja de efectos de guitarra con potencialmente mucha vibración y movimiento debido a los botones y controles controlados con el pie, también consideraría cómo las señales se enrutan bajo los competidores también para evitar el problema mencionado en mi primer párrafo.

Pero, ¿por qué limitarse a dos capas? Obtenga las pistas de señal de la capa superior por completo y use una placa de 4 capas. El costo no sería mucho más y la tranquilidad es algo bueno.

Ninguno de los diseños propuestos es bueno. Un mejor esquema que cualquiera de los que menciona es utilizar partes SMD. Esto tiene una serie de ventajas:

1. Se encuentra disponible una gama mucho más amplia de piezas.

2. Las mismas partes serán más baratas.

3. Tomará mucha menos molestia y tiempo soldar las piezas a la placa.

4. Te deja más flexibilidad para el enrutamiento.

Para un tablero de dos capas, coloque las partes en la parte superior. Use la capa superior para la mayor cantidad de interconexiones que pueda. Reserve la capa inferior como un plano de tierra y úsela solo para "puentes" cortos de otras señales.

Mantenga estos puentes separados entre sí para que las corrientes de tierra puedan fluir alrededor de cada uno individualmente. Desea minimizar la dimensión máxima de cualquier agujero en el plano de tierra, no el número de agujeros. Dicho de otra manera, muchas pequeñas interrupciones dispersas son mejores que una sola gran interrupción.

Realice todas las conexiones a tierra con vías separadas justo al lado de cada pin que debe conectarse a tierra. Esto hace que cada conexión a tierra sea sólida y también minimiza las conexiones a tierra que obstaculizan el enrutamiento de los otros rastros.

Por supuesto, aún debe prestar atención al enrutamiento de las trazas de señal. El audio se trata de mantener alta la relación señal / ruido. No enrute trazas de salida amplificadas cerca de trazas de entrada sensibles, por ejemplo.

Para más información, vea esta respuesta.

Si se está preguntando acerca de los planos de tierra, ¡debe olvidar el agujero pasante! Tener capas dedicadas de tierra y potencia se trata de mantener rutas de baja impedancia para todas las corrientes. Los componentes de orificio pasante tienen mucha impedancia adicional solo por su tamaño voluminoso y sus cables.

Si desea apegarse al agujero pasante, le recomiendo una tabla que se parezca mucho al esquema. Use áreas de tierra en el medio de la capa superior e inferior. Use los bordes largos para las rutas V + y V-. Cree "dedos de cobre" desde tierra hasta V + / V- o viceversa para tener en cuenta los componentes radiales. Si su circuito amplificador necesita tres o cuatro voltajes, use la capa superior para un par de voltaje y la capa posterior para el otro.

Recuerde también, desde la vista de CA, V +, V- y GND son lo mismo. Es tan importante tener baja impedancia V + y V- como GND.

El relleno del fondo es continuo donde los dedos V + / V- rompen el superior, y viceversa. Use las vías del componente THT para la conexión de los dos rellenos GND. De esa manera, le das a los agujeros pasantes una razón para existir. Use vías adicionales donde sea necesario.

Esto es todo lo contrario del diseño de la placa que necesita un circuito digital. Ahora imagine los dolores de cabeza de crear una placa de señal mixta.