Placa de circuito impreso de señal mixta, ¿de 2 o 4 capas?

Question

Actualmente estoy diseñando una placa de circuito impreso de señal mixta para un cliente y he estado leyendo mucho sobre la integridad de la señal y la mayoría de los libros recomiendan una placa de 4 capas (o más) debido a la resistencia al ruido por tener un plano de tierra sólido y un enrutamiento reducido.

La placa en cuestión tiene dos ADC de 16 bits y dos DAC de 16 bits con amplificadores OP en la sección analógica, un microcontrolador con algunos desplazadores de nivel y mosfets en la sección digital, y dos convertidores DC/DC y un regulador LDO en la sección de alimentación. El espacio no es una gran limitación, pero es importante tener alta resolución y bajo ruido en la sección analógica. Hay un bus I2C y un bus SPI entre la sección digital y el borde de la sección analógica, que funcionan a menos de 10 MHz.

En cuanto a las rutas, puedo hacer este tablero en 2 capas. ¿Notaré realmente una gran diferencia en la integridad de la señal con una placa de 4 capas y un plano de tierra dedicado? ¿Merece la pena el coste adicional? Me estoy inclinando por 4 pero me gustaría escuchar sus opiniones.

Gracias de antemano chicos.

Answer 1

Primero permítanme exponer claramente mi respuesta. Una placa de cuatro capas dará un mejor rendimiento. La diferencia no es muy marcada para todas las placas, pero la placa de cuatro capas le permitirá encaminar la señal, la alimentación y la tierra directamente una sobre otra en una mayor variedad de formas. Mantener la tierra directamente bajo el plano de potencia reducirá la diafonía de las líneas cercanas y reducirá el ruido al permitir mejores opciones de enrutamiento en general. Con cuatro capas, la tierra de un solo punto es una hazaña alcanzable sin cortar también el plano de tierra en dos. Esencialmente, si la solución de dos capas requiere cortar el plano de tierra, se crean dos planos de tierra conectados por dos puntos. Esto permite un bucle de corriente, causando ruido, y esto puede ser exacerbado por las diferencias de temperatura, la electrónica cercana, etc. No estoy seguro del caso de uso de este dispositivo, pero la temperatura, la EMI cercana y las frecuencias de funcionamiento influirán. Si se trata de un diseño de velocidad semi-alta, entonces una capa de cuatro salvará definitivamente la integridad de esas líneas de señal. Mucho de esto se reduce a la resolución que necesitas de esos ADCs. Si realmente necesitas 16 bits, entonces yo diría que un aumento del 5% en el rendimiento de una placa de cuatro capas vale la pena.

Una gran referencia de la que saco mis directrices de diseño es... http://www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf

Salud

Answer 2

Si puedes hacer la mayor parte de tu enrutamiento en la capa superior y tener secciones sólidas de plano de tierra en la capa inferior, yo diría que una placa de dos capas debería probablemente trabajar para usted. Una de las personas realmente impresionantes que he conocido a lo largo de los años -Dave Vanhorn- hace habitualmente placas rápidas y de alta densidad en placas de dos capas y todos sus productos pasan las pruebas de conformidad de emisiones sin ningún problema. Pero él es un verdadero maestro de ese arte mientras que muchos no lo son.

En cualquier caso, tu tabla parece bastante sencilla. Divide la capa inferior del plano de tierra en secciones para cada bloque de circuitos: analógico y digital y asegúrate de saber por dónde fluyen las corrientes de retorno.

Por lo general, está bien tener pequeñas roturas en el plano de tierra donde se tiene que cruzar una traza con otra. Pero esas roturas son pequeñas y están completamente cerradas con cobre, exponiendo sólo la traza corta que va debajo de la traza del lado superior.

Answer 3

Parece que el regulador que alimenta los circuitos analógicos está en la sección de potencia, deberías moverlo a la sección analógica, para que su pin de referencia de GND se sitúe en la GND analógica. De esta manera, su salida está referenciada a la GND analógica, no a la GND ruidosa cerca de los conmutadores.

Ahora, para su pregunta de 2 versus 4 capas, el uso de 4 capas reducirá la dificultad de hacer un muy buen diseño, por lo tanto reducirá la probabilidad de cometer un error. Si un error significa una repetición de la jugada, entonces debe sopesar el coste y los retrasos de una posible repetición de la jugada frente al coste adicional de 4 capas.