2層PCB設計、スルーホール技術およびグランドプレーン

オーディオアプリケーション用のPCBのレイアウトを設計しています（デジタルエレクトロニクスなし、アナログのみ）。

すべてのコンポーネントはスルーホールで、PCBはかなり大きく（約16cm x 10cm）、2つの層があります。メッキスルーホールは、私が使用している技術によってサポートされています。回路にはデュアル電源があります。

信号、電源トラック、およびグランドをルーティングするための最適なソリューションは、次のうちどれですか（そしてその理由）。

• トップ層：グランドプレーン。BOTTOMレイヤー：信号と供給ライン。
• トップ層：信号および電源ライン：ボトム層：グランドプレーン。
• トップ層：グランドプレーンと電源ライン。BOTTOMレイヤー：シグナル。
• トップ層：信号; BOTTOMレイヤー：グラウンドプレーンと電源ライン。

これらの他の答えはすべて、問題を複雑にしすぎていると思います。スルーホール設計は多くの場合正当であり、2層ボードも同様です。

理由がない限り、グランドプレーンと信号/電源プレーンを使用することをお勧めします。この設計方法は試行されたものであり、使用すべきではない理由は見当たりません。どちら側に信号を出すかは、実際には問題ではないと思います。

グラウンドプレーンでジャンパーを作成する必要がありますが、大きなカットを避けなくても問題はありません。私は、ペイントで素早く恐ろしい画像を作成しました：

ニールが言ったように、あなたのグラウンドリターンパスは重要です、それらがグラウンドプレーンに入るとき、それらが終わったと考えるべきではありません。

私がお勧めする1つの方法は、あなたが言及していないものです。

一般に、空間を電力、接地、信号に任意に分割すると、悲しみが生じます。そのような空間を分割する必要もなければ、良い結果を得るのに十分ではないからです。

ボードが「困難」で、アナログ/デジタル、高速信号、大電流、SMPSが混在している場合、完全なグランドプレーンから開始するとメリットがあります。しかし、それだけでは十分ではありません。リターン電流が流れている場所を把握する必要があります。グランドプレーンであっても、足元で自分を撃つことができるからです。

格子状の地面を持つマンハッタンのレイアウトをお勧めします。

マンハッタンの大きな利点は、トラックのルートをいつでも見つけられることです。妥協して信号をその戻り経路から曲がりくねったルートに移動したり、グラウンドプレーンを切断してトラックをこっそりと通過させてその整合性を破壊する必要はありません。

マンハッタンルーティングでは、1つのレイヤーを南北接続専用にし、もう1つのレイヤーを東西接続専用にします。これで、通常は1つのビアを使用してAからBにいつでも移動できます。トラックをどのように横断できるかを心配する必要はありません。

これで、ボードを配線するための体系的な方法ができました。まず、グリッド付きの地面から始めます。1つのレイヤーに、列に20mmごとにトラックを配置します。もう一方のレイヤーで、同じことを行で行います。すべての交差点で一緒にそれらを介して。これで、両方のレイヤーがすべての電源と信号をルーティングするために利用できるため、プレーンとほぼ同じくらい優れた、はるかに使いやすいグランドができました。グラウンドトラックを少し動かしてICを収容しますが、離れすぎないようにしてください。

追記-接地面とグリッド付き接地。

ウンベルト、スコット、およびオーリンからいくつかの興味深いコメントがありました。おそらく、上記の内容を明確にし、その理由を以下に文書化します。

私は今退職しました。そして、生涯、ジュニアエンジニアを指導した後、彼らが直面する最大の問題の1つは、グランドプレーンボードでの貧弱な設計を行うことです。彼らは地面が「すべての隔離物の面倒を見る」と考えているようで、考えをやめます。結果として、彼らは敏感な入力を通過して高電流を流し、そうでなければリターン電流の影響を見つけることができません。

これらのボードのデバッグを支援するために、グランドプレーンを削除し、すべてのリターン電流を個別のトラックの個別のフローと見なすように強制します。犯人が見つかり、レイアウトが修正されたら、地面を復元できます。

4層のボードには、1つをしっかりとした地面専用にするのに十分なスペースがあります。2層ボードでは、配線スペースに余裕があります。だから、トラックをAからBにルーティングする体系的な方法を提供するマンハッタンが非常に便利です。2つのレイヤーの1つを地面専用にすると、重要なレイアウトでは1つまたは2つ（または複数の、もう1つだけ）のトラックが地面を切り離し、完全性が失われます。

グラウンドプレーンがない場合、グリッド付きグラウンドが次に最適です。柔軟性があり、必要な地上トラックの数を増やすことができます。マンハッタンのルーティングと完全に互換性があります。レイアウトが完了したら、必ず地面の銅でいっぱいにします。切断されたグランドプレーンよりも適切にルーティングされるものになります。そうでない場合は大丈夫だと思っていたかもしれないすべてのリターン電流について考えることができたからです。

優れたボードデザインは、科学と同じくらい芸術です。アーティストに創造を教えることはできませんし、エンジニアが電流が流れる場所を「感じる」ことを、彼らが「得る」まで教えることはできません。グランドプレーンを使用しない設計は、「取得」プロセスを高速化する1つの方法です。

すべてのコンポーネントはスルーホールです

この理由だけでも、底面に接地面を使用して、本体が接地銅と接触するかどうかを心配せずにコンポーネントをマウントできるようにすることを検討します。

足で操作するボタンとコントロールのために、多くの振動と動きを伴う可能性のあるギターエフェクトボックスの場合、最初の段落で述べた問題を回避するために、コンポーネントの下にも信号をルーティングする方法を検討します。

しかし、なぜ自分を2層に制限するのか-最上層から信号トラックを完全に取り除き、4層ボードを使用してください。コストはそれ以上ではなく、心の平和は良いことです。

提案されたレイアウトはどれも良くありません。あなたが言及するよりも優れたスキームは、SMDパーツを使用することです。これには多くの利点があります。

1. 広範囲の部品が利用可能です。

2. 同じ部品が安くなります。

3. 部品をボードにはんだ付けするのに手間と時間があまりかかりません。

4. ルーティングの柔軟性が向上します。

2層ボードの場合、部品を上部に置きます。できるだけ多くの相互接続に最上層を使用します。最下層をグランドプレーンとして予約し、他の信号の短い「ジャンパー」にのみ使用します。

これらのジャンパを互いに離しておくと、グランド電流が各ジャンパの周囲を個別に流れることができます。穴の数ではなく、グランドプレーンの穴の最大寸法を最小化します。別の言い方をすれば、分散した小さな混乱の多くは、単一の大きな混乱よりも優れています。

グランドに接続する必要がある各ピンのすぐそばに、個別のビアですべてのグランド接続を作成します。これにより、各接地接続が強固になり、他のトレースのルーティングの邪魔になる接地接続も最小限に抑えられます。

もちろん、信号トレースのルーティングに注意を払う必要があります。オーディオとは、信号対雑音比を高く保つことです。たとえば、増幅された出力トレースを敏感な入力トレースの近くに配線しないでください。

詳細については、この回答を参照してください。

グランドプレーンについて疑問がある場合は、スルーホールを忘れてください！専用のグランド層と電源層を持つことは、すべての電流に対して低インピーダンスパスを維持することです。スルーホールコンポーネントには、かさばるサイズとワイヤだけで、追加のインピーダンスがあります。

スルーホールに固執したい場合は、回路図によく似たボードをお勧めします。最上層と最下層の両方の中央の領域を使用します。V +およびV-パスに長いエッジを使用します。放射状成分を考慮して、地面からV + / V-またはその逆に「銅指」を作成します。アンプ回路に3つまたは4つの電圧が必要な場合は、一方の電圧ペアに最上層を使用し、もう一方の電圧ペアに後層を使用します。

また、ACから見ると、V +、V-、およびGNDはまったく同じであることを忘れないでください。GNDと同じ低インピーダンスV +およびV-を持つことが重要です。

V + / V-フィンガーがトップフィンガーを破壊する場合、ボトムグラウンドフィルは連続的です。2つのGNDフィルの接続には、THTコンポーネントのビアを使用します。そうすれば、スルーホールに存在の理由を与えることができます。必要に応じて追加のビアを使用します。

これは、デジタル回路に必要なボード設計とは正反対です。次に、混合信号ボードを作成する際の頭痛の種を想像してください。