4-laags PCB ontwerpen

DE regel is schakelende signalen zo dicht mogelijk bij de GND laag. Meestal schakelende signalen bovenop de PCB en dan meteen daaronder de GND laag. Dan de VCC laag en overal condensatoren verspreiden zodat beide lagen een lage impedantie hebben. De tijd van een ontkoppelcondensator per IC is wel wat voorbij, alhoewel een C'tje erbij geen kwaad kan.

Signaal dicht bij GND wil zeggen weinig oppervlak van stroomlussen, weinig inductantie. Wel even nog opletten op verhoogde capaciteit.

Laat anders die andere PCB eens zien of het schema?

Er is geen directe relatie met eerder genoemde bi-layer, behalve dat ik weer een 10MHz sinus heb die ik ga splitten en één van de takken wordt digitaal verwerkt.

Zou dit een logische opzet zijn:
- Toplaag, digitaal (signalen + voeding).
- 1e tussenlaag digitale ground.
- 2e tussenlaag analoge signalen en voeding.
- Bottomlaag analoge ground.

Schema is niet zo spannend, een µP die een LCD (16x2) aanstuurt, een 10MHz klok, een paar LED's en wat spanningsregelaars.

Het analoge 10MHz signaal wordt op een andere PCB verder verwerkt, maar wordt wel van een inkomende connector naar de µP gestuurd en dan door naar een uitgaande XH connector.

De analoge en digitale ground kan ik op een ander voedingsprintje samenbrengen.

Je kan beter het analoog en digitaal horizontaal scheiden ipv vertikaal.

Hier wordt dat aardig uitgelegd.

Als het schema niet zo spannend is, waarom zou je dan geen dubbelzijdige pcb ontwerpen?

[Bericht gewijzigd door M-i-c-h-e-l op woensdag 18 juni 2025 22:16:45 (15%)]

@Michel, dank voor de link, ga ik lezen.

Ik heb eerder een bi-layer ontworpen met een 10MHz sinus signaal in, een splitter en één tak moest sinus blijven en naar een distributieversterker gaan en de andere tak ging via een 'dataslicer' naar een 74HC14. Verder nog wat poorten om het bloksignaal te verdelen en een voeding.
Nou gaf het 10MHz blok signaal een enorme verstoring van de sinus op de analoge uitgang.
Van alles geprobeerd, gescheiden massavlakken, aparte 5V voedingen (A & D), circuits uit elkaar gehaald (horizontaal gescheiden), niet goed gekregen.

En het kost niet veel meer om naar 4 lagen te gaan en het is weer een uitdaging. Klein beginnen, ervaring opdoen en eens kijken of het dan beter gaat.

Denk in stroomkringen en het voorkomen van antennes. Belangrijk voor het voorkomen van problemen is een doorlopend groundplane om HF stroomkringen klein te houden en een goede indeling van de print, dus het fysiek uit elkaar plaatsen van deelschakelingen die elkaar kunnen storen.

De vier-laagindeling die recent toepaste in een analoge ontvanger met digitale synth:
Top: SMD componenten, afscherm blikken, routing, rest vullen met GND
1e binnenlaag: Enige HF striplines om blikken in- en uit te gaan, power planes behorende bij deelschakelingen.
2e binnenlaag: doorlopend GND plane
Bottom: Enige routing, rest vullen met GND.

Horizontaal scheiden is tegenwoordig ook "not done".

Het kan wel, maar je kunt het er ook slechter mee maken. Als je het doet:

Een spoor is niet een enkele rit naar het doel. De stroom gaat erheen maar ook terug. En de hoge frequenties nemen het pad van de laagste inductantie. Als dat digitale return pad je analoge traces kruist of hetzelfde pad volgt als je analoge gnd gaat het al mis.

4 lagen is een manier om het snel goed te krijgen zonder teveel puzzelen.

Alles gaat om het retourpad, hoe loopt de stroom terug. Dat bepaalt je EMC en storing.

Ik had de 'flawless PCB design' filmpjes van Hans Rosenberg al een keer aangeraden.

https://www.youtube.com/@HansRosenberg74

Op woensdag 18 juni 2025 21:08:34 schreef rob040:
Hebben jullie een min of meer standaard indeling die je gebruikt?

signal/gnd/pwr/signal

Geen aparte grounds. Zorg dat het return-pad van analoge en digitale signalen gescheiden blijft.

Op woensdag 18 juni 2025 21:20:36 schreef Hoeben:
De tijd van een ontkoppelcondensator per IC is wel wat voorbij, alhoewel een C'tje erbij geen kwaad kan.

Inderdaad, tegenwoordig eerder 1 condensator per voedingspin.

Op woensdag 18 juni 2025 21:39:45 schreef rob040:
Schema is niet zo spannend, een µP die een LCD (16x2) aanstuurt, een 10MHz klok, een paar LED's en wat spanningsregelaars.

Het analoge 10MHz signaal wordt op een andere PCB verder verwerkt, maar wordt wel van een inkomende connector naar de µP gestuurd en dan door naar een uitgaande XH connector.

Zorg dat je analoge clock pad netjes apart ligt van de rest, en dat je digitale deel goed ontkoppelt is. Hou de voedingen apart. Dan kun je de ground overal laten doorlopen, wat echt 100x makkelijker is om goed te krijgen dan aparte grounds.

Op donderdag 19 juni 2025 00:19:11 schreef Hoeben:
Horizontaal scheiden is tegenwoordig ook "not done".

Het kan wel, maar je kunt het er ook slechter mee maken. Als je het doet:

Een spoor is niet een enkele rit naar het doel. De stroom gaat erheen maar ook terug. En de hoge frequenties nemen het pad van de laagste inductantie. Als dat digitale return pad je analoge traces kruist of hetzelfde pad volgt als je analoge gnd gaat het al mis.

4 lagen is een manier om het snel goed te krijgen zonder teveel puzzelen.

Alles gaat om het retourpad, hoe loopt de stroom terug. Dat bepaalt je EMC en storing.

Helemaal eens.
Let op je retourpaden. Mijn methode is om analoog en digitaal horizontaal te scheiden en ook de grounds te scheiden. En dan de ground-paden in de layer eronder dusdanig te plaatsen dat ze 'onder' de bijbehorende signalen liggen. Ze kruisen elkaar dus niet.
En inderdaad, zoveel mogelijk ground-planes aanbrengen op de signaal-layer.
En hou je vooral aan de opgegeven ontkoppelingen die de datasheets aanbevelen.

Ik heb hem al eens eerder gelinkt, maar ik heb deze training een keer doorlopen.
Terry Fox heeft ook het een en ander op Youtube.

Hoewel de meeste van mijn (werk-) projecten "traag" zijn in verhouding tot modern digitaal, signaal frequenties in de tientallen MHz, is het comfortabel om ook in eenvoudige gevallen te weten wat het juiste is om te doen. Een vermijdbare fout in een complexe print op zijn minst onprettig.

Dank voor alle tips en trick. Het is minder makkelijk dan ik dacht, maar dat zal de onervarenheid zijn.
Genoeg om te kijken aan video's en te lezen.

@Blurp:

Geen aparte grounds. Zorg dat het return-pad van analoge en digitale signalen gescheiden blijft.

Ik kreeg deze tip niet geprocessed. Is return-pad niet hetzelfde als ground (massa)?

@rob040:

Ja en nee. Het returnpad loopt door de ground, maar je weet maar in beperkte mate waar. Grotendeels zal het door het plane direct onder het signaalpad lopen.

Maar op het moment dat je een scheiding maakt tussen een "digitale" en een "analoge" ground weet je een ding zeker: Het return pad loopt niet DOOR de scheiding.

Waar wel? Dat weet je niet. Ergens. In ieder geval loopt het verder weg, is de lus van het signaal+return-pad groter en dus de EMC slechter.

Als je een ontwerp hebt waar geen enkel signaal de analoog/digitaal scheiding oversteekt is dat geen probleem. Maar dan kun je net zo makkelijk twee printen maken.

Jij geeft aan een kloksignaal te hebben (analoog) dat de de digitale logica ingaat. Dus loopt er een return-signaal door de ground, dus kun je ze niet scheiden.

Wat je wel kunt doen is zorgen dat de analoge en digitale stukken zo veel mogelijk apart liggen. Dan lopen de return-paden van de digitale signalen en die van de analoge signalen zo veel mogelijke apart, en is er geen wederzijdse beinvloeding.

Als je dat helemaal perfect gedaan hebt zou je inderdaad de grounds kunnen scheiden. Maar dat hoeft dan niet meer, en als je het toch niet helemaal perfect gedaan hebt zorgt een ononderbroken groundplane voor de laagste impedantie, en dus laagste beinvloeding.

Op donderdag 19 juni 2025 22:43:46 schreef rob040:
Dank voor alle tips en trick. Het is minder makkelijk dan ik dacht, maar dat zal de onervarenheid zijn.
Genoeg om te kijken aan video's en te lezen.

@Blurp:
[...]
Ik kreeg deze tip niet geprocessed. Is return-pad niet hetzelfde als ground (massa)?

Het is een kwestie van je even rustig in de materie verdiepen en kijken wat er allemaal wordt gezegd.

Paar jaar geleden stond ik voor dezelfde uitdaging. Een pcb maken voor het digitaliseren van een druksensor signaal en aansturing van een stel kleppen. Ik heb véél tijd gestopt in het gescheiden houden van analoog en digitaal, ook de grounds zoveel mogelijk gescheiden gehouden en het resutaat (nauwkeurigheid vd adc waarde vd druk) was zeer bevredigend.
Omdat de afmetingen vd pcb al vast lagen moest de pcb een 6 layer worden maar dat even terzijde.

Op woensdag 18 juni 2025 22:44:12 schreef rob040:
@Michel, dank voor de link, ga ik lezen.

Ik heb eerder een bi-layer ontworpen met een 10MHz sinus signaal in, een splitter en één tak moest sinus blijven en naar een distributieversterker gaan en de andere tak ging via een 'dataslicer' naar een 74HC14. Verder nog wat poorten om het bloksignaal te verdelen en een voeding.
Nou gaf het 10MHz blok signaal een enorme verstoring van de sinus op de analoge uitgang.
Van alles geprobeerd, gescheiden massavlakken, aparte 5V voedingen (A & D), circuits uit elkaar gehaald (horizontaal gescheiden), niet goed gekregen.

En het kost niet veel meer om naar 4 lagen te gaan en het is weer een uitdaging. Klein beginnen, ervaring opdoen en eens kijken of het dan beter gaat.

Ik moet zeggen dat ik zelf ook nog weleens blijf hangen in het tweelaags maken/houden van iets zonder dat het nodig is, het kost tegenwoordig zo goed als niets meer om vierlaags te gaan en ik heb een goede bak tijd verspild in het dat niet doen.

Stiekem ben ik nu wel nieuwsgierig wat er nu mis was met die andere print, want dat kan interessante inzichten geven. De 10MHz basisfrequentie heeft een golflengte van 30m, dus per ongeluk een antenne bouwen is onwaarschijnlijk. Ik denk dat de harmonischen het probleem zijn. Daar moet je ook van af, maar met deze frequentie kan je je wat veroorloven:

• Zet een kleine weerstand aan de uitgang van je 10MHz bron. Ik neem aan dat dit een sinus is, maar bij een blokgolf is dit nog wel belangrijker. Je vermindert de steilheid van de flanken (en daarmee de harmonische energie), maar als het eens 10Ω is vermindert dat de piekstromen door de massa enorm zonder het signaal volledig te verminken, terwijl het de piekstroom van de signaalgenerator ook flink beperkt. De ingangscapaciteit van een 74HC14 zou erg klein moeten zijn, ergens in de enkele pF.
• Voed de componenten die de digitale signalen genereren via een klein RC filter. Als je de 74HC14 niet alleen ontkoppelt met een keramische condensator maar ook een 10Ω serieweerstand worden de externe piekstromen kleiner. Een klein spoeltje kan ook, maar dat geeft zijn eigen problemen. Vergeet vooral niet de ongebruikte poorten expliciet op een duidelijk digitaal niveau te brengen!

Houd er rekening mee dat als je een vervuild signaal hebt gezien op je scoop dit ook het gevolg kan zijn van het aangesloten hebben van de massa van je scoop. Er zijn momenten geweest dat ik zo de storing van het aan hebben van een fluorescentielamp opving en ik alleen overdag goede resultaten leek te hebben. Digitale scoops zijn daarin erger om redenen die ik nog niet helemaal begrijp.

Op woensdag 18 juni 2025 21:20:36 schreef Hoeben:
Dan de VCC laag en overal condensatoren verspreiden zodat beide lagen een lage impedantie hebben. De tijd van een ontkoppelcondensator per IC is wel wat voorbij, alhoewel een C'tje erbij geen kwaad kan.

Huh? Waar heb je dat nu weer vandaan? Het lokaal ontkoppelen is nu belangrijker dan ooit omdat moderne IC's in staat zijn te reageren op nanoseconde schaal storingen, wat met TTL en 4000-serie IC's niet snel een issue was. Er worden alleen vaker dan vroeger capaciteiten op het substraat en de 'die' gebouwd, waardoor het extern minder een probleem lijkt. Dat zijn kleine capaciteiten, dus fabrikanten raden zo ver ik weet nog altijd lokale ontkoppeling aan. Je komt er alleen af en toe mee weg als je ze vergeet.

Wat nog wel mis kan gaan is dat de voedingsbus met al die kleine keramische condensatoren een hoge Q resonantiekring kunnen vormen met de inducties van de voedingslijn. Als je de ontkoppeling vanaf moment 0 met een vast patroon op je PCB plant wordt dat risico alleen groter. Dit kan worden bestreden door op verschillende plekken op de print kleine elco's als buffering bij te plaatsen. Die hebben veel meer ESR en dissiperen de energie als het ergens resoneert. Keramische condensatoren hebben bovendien een eigen elektromechanische resonantiefrequentie die toevallig in de buurt van een bestaande klok of resonantie kan zitten. Oplossingen daarvoor zijn het gebruik van twee verschillende capaciteiten keramische condensatoren per ontkoppelpunt. De resonantiefrequentie is voor een groot deel een functie van de mechanische grootte.

Op donderdag 19 juni 2025 00:19:11 schreef Hoeben:
Horizontaal scheiden is tegenwoordig ook "not done".

Het kan wel, maar je kunt het er ook slechter mee maken.

Dit is in mijn optiek geen plek voor wat er trendy is, het scheiden van massa's is alleen nodig en handig als je weet welk probleem je probeert op te lossen. Volgens mij zijn er geen situaties waarin je de analoge en digitale massavlakken boven elkaar zou willen hebben. Er zijn wat mij betreft twee opties:

• Je gebruikt dezelfde laag voor een gespleten analoog en digitaal massavlak. De componenten moeten toch in het horizontale vlak worden gegroepeerd. Er komt alleen ergens een scheidingslijn. Als je de massa's scheidt moet je je alleen afvragen waarom. Als je ergens een grote 'mixed signal' chip hebt moeten de massa's onder die chip meestal hard aan elkaar worden gekoppeld om te verhinderen dat de massastromen door het substraat van de chip komen te lopen, en dat zijn de datasheets waar dat ook in vermeld zal zijn. Heb je iets waar de signaaloverdracht via differentiele signalen is wil je juist een inductie tussen beide zodat je zeker weet dat beide systemen hun voeding niet gestoord zien door het extern op- en ontladen van hun ontkoppelcondensatoren. Dat kan relevant zijn als de digitale signalen verbonden zijn met de externe wereld, zoals via een USB kabel.
• Je gebruikt een enkel massavlak waar beide analoge en digitale componenten vreedzaam op samenleven, dat zou mijn keuze hier zijn. Dat kan als je ervoor zorgt dat de analoge en digitale voedingsrails gescheiden zijn. Dat kan met RC netwerkjes, eventueel met aparte regelaars. Lokale RC ontkoppeling werkt beter dan alleen een C'tje, want een dikkere en kortere voedingslijn tussen componenten maakt dat storingen daar propageren en mogelijk resoneren. Er kan nu alleen via de lokale stroomkring rond de chip en ontkoppel-C een grote stroom lopen, maar niet meer door de rest van het massavlak.

Het is makkelijk om te ver door te schieten in de interventies als het probleem zich op 10MHz afspeelt, wat volgens mij op een breadboard nog moet kunnen werken. Ik denk dat het toevoegen van een aantal ordegrootte 10Ω weerstanden op de eerdergenoemde punten op zichzelf een hele hoop problemen kan oplossen. De exacte waarde zal ook afhangen van de stromen die je verwacht, maar dat zal je zelf beter weten als je aan het ontwerpen bent.

Ik denk dat het voor deze signalen het handigst is gewoon 1 ground aan te houden. Pas als je het over heel nauwkeurige signalen tot diep in/onder de microvolts hebt moet je zaken veranderen. Anders is het veel handiger gewoon:
1 digitale signalen
2 ground
3 voeding (digitaal)
4 analoge signalen
en dan eventueel aan de onderkant meer tussenlagen als je daar wat met de analoge GND wil doen.

Er zijn veel mogelijkheden, afstand digitaal-GND klein houden is wel een vaste regel.

@blurp: Langzaam begint het te dagen. Het is allemaal best taaie kost die niet altijd consistent is en erger nog niet altijd in de praktijk toe te passen.

@Kruimel, ik ga jouw tip over de weerstandjes in de voedingslijn nog wel eens proberen. Ben zelf ook wel benieuwd, maar ik heb toen zoveel dingen geprobeerd en het leek er op dat niets hielp.
Ik had even behoorlijk de balen van en kan me redden met alleen de analoge uitgang.

Wat betreft het aansluiten van de massa van de scoop, zodra de 74HCT14's niet stonden te schakelen was de sinus onvervormd. De 10MHz sinus uitgangen waren afgesloten met 50Ω, de digitale uitgangen met (uit het hoofd) 100Ω.
Ik heb toen veel met Henk (electron920) zitten sparren.

Dank voor de rest van de tips!

En hoe zat het met de andere poorten in dat IC? Waren die aan massa/V_CC? Zo niet, dan krijg je best stroompieken omdat de poorten dan allemaal gaan twijfelen als er in de buurt een 'transient' is (al zou dat met een Schmitt trigger minder moeten zijn).

[Bericht gewijzigd door Kruimel op zaterdag 21 juni 2025 16:38:46 (12%)]

Alle poorten (3 IC's) waren in gebruik, op één na. En die ingang was laag.

De andere IC's werden gebruikt om vier uitgangen te maken met elk 3 poorten parallel.

Ik heb ook de weerstanden overbrugd gehad en één in serie met de uitgang en daarna afgesloten met 100 of 150Ω.

Maar het ging al mis als alleen IC4 geplaatst werd. Ook geen zwevende ingangen in dat geval. Waarschijnlijk wel open uitgangen, dat had voor de test beter gekund.

Frappant. En als je hem niet afsloot met 50/100/150Ω?

74HCT zou uit het hoofd 10 MHz moeten halen, maar het is niet "10x zo snel", dus verwacht geen strakke blokgolf zoals uit moderne logica.
Maar dat was het probleem niet, begrijp ik?

@Kruimel, maakte ook niet uit. Ik heb even snel terug zitten lezen, ik zie nu dat ik geen verslag meer heb gedaan van de tweede PCB die ik heb laten maken.
Die is geworden zoals ik zaterdag 23 december 2023 15:18:45 al liet zien.
Kan dat nog wel eens aanvullen als ik opnieuw wat ga proberen.
Ik heb blijkbaar al zitten rommelen met laagohmige weerstanden in de voedingslijn en daar achter een tantaaltje of keramische C.
Die scoopplaatjes is de 5V voedingsrail. Maar het lijkt er op dat de massa geïnfecteerd is. Vandaar dat het analoge deel met zijn eigen voeding ook de fout in gaat (althans zo lijkt het bij metingen).
Maar goed, dat is voor nu een uitstapje en voor later.

@Aart: Nee, inderdaad ik was tevreden geweest met een schone 'blok' met de bijbehorende (verwachte) afrondingen.

Dat topic heb ik indertijd niet meegevolgd, maar zonder dat alsnog te doen (te warm) vraag ik me af hoe je scoop aangesloten is en of je ook getest hebt met een batterijvoeding voor een van beide.

Op zaterdag 21 juni 2025 17:22:49 schreef Aart:
74HCT zou uit het hoofd 10 MHz moeten halen, maar het is niet "10x zo snel", dus verwacht geen strakke blokgolf zoals uit moderne logica.

Net wel eigenlijk, ik kende wel een docent die een FM zender maakte met (ik geloof) een 74HC04 met de in- en uitgang kortgesloten. Als je die voedde met een regelbare voeding en een audiobron in serie kon je dat op FM radio's ontvangen.

Op zaterdag 21 juni 2025 20:21:03 schreef Kruimel:
Dat topic heb ik indertijd niet meegevolgd, maar zonder dat alsnog te doen (te warm) vraag ik me af hoe je scoop aangesloten is en of je ook getest hebt met een batterijvoeding voor een van beide.

Nee, dat dan weer niet. Wel met een aparte lineaire voeding.

Meten deed ik met een standaard Rigol probe, standje x10.

Een losse voeding zou genoeg moeten zijn, maar misschien zat er een capaciteit naar aarde in en vang je met de lus door de massa van je voeding via je oscilloscoop-probe nog iets op. We zijn nu wel diep in het land der speculatie, maar het kan wel. Recent kwam iets vergelijkbaars ter sprake in een Philips voeding met thyristor-regeling: Philips PE 1644 aan de tand voelen (revisie nodig?)

[Bericht gewijzigd door Kruimel op zondag 22 juni 2025 21:33:44 (25%)]