如果您可以使用无焊面包板构建您的产品，并且它可以工作，并且互连是透明的，那么您如何设计电路板可能并不重要。它仍然可以工作。您只需要担心以低成本制造的设计，或许还有用于测试的设计。但是，如果性能很重要，如果互连不透明，或者如果您想养成良好的习惯，您将希望将这七个习惯纳入您的下一个两层板设计。
在大多数 2 层板设计中，性能是有限的。通常，很难在 2 层板中布线 BGA 封装，例如 FPGA 或高端微处理器。我们不是在谈论高端板。但是，许多消费产品、微控制器和物联网应用都内置在 2 层板上。
在我在 CU, Boulder 教授的关于实用印刷电路板设计的研究生课程中，我们使用古老的 Arduino Uno 板作为 2 层板的示例，该板可以工作但几乎违反了七个重要习惯中的每一个。该板的一个示例如图 1 所示。
Arduino Uno 是一款非常强大的产品。您几乎可以使用任何设计规则，它会起作用。不幸的是，这强化了不良的设计习惯。在我的课程中，我们使用 Arduino 作为示例，说明如何不设计电路板，然后使用以下最佳设计实践重新设计它。
我们试图避免的两个问题
原理图标识了设计中使用的组件以及它们的连接方式。它没有说明设计的信号或电源完整性性能。
建立连接后，互连只会破坏产品的性能。虽然可能会出现许多信号和电源完整性问题，但最常见且影响最大的两个问题是由于信号和返回路径环路（接地反弹）之间的过度互感导致的串扰以及由于电源轨上的开关噪声大的瞬态电流摆幅。图 2 是在 Arduino Uno 板上测量的接地反弹示例，因为多个数字输出同时打开和关闭。
电路板物理设计（包括布局）的目标是遵循通用设计指南以减少这两个问题。如果没有每个工程师都应该做的详细分析，我们只能遵循一些通用的设计指南，以降低这些问题导致您的产品停机的风险。
你做的分析越多，风险就越低，你对你的产品第一次就可以工作的信心就越高。
我们可以遵循的七个习惯不能保证成功，但会降低失败的风险。
习惯 1：使用 6 mil 宽的信号走线、20 mil 宽的电源走线和 13 mil 的钻孔直径
这些是每个晶圆厂可以以最低价格制造的最小功能。如果您坚持这些功能，您可以在任何工厂制造您的电路板。
您总是希望使用最窄的功能，而无需额外成本来获得最高的路由密度。您可能认为 6 mil 宽的走线对于信号线来说太窄了。但是，它可以承载 1 A 的直流电流，而不会出现明显的温升。在 1 盎司铜中，它的单位长度电阻为每英寸 80 毫欧。在大多数应用中，即使是 1 欧姆的串联电阻仍然是透明的。这是 12 英寸的信号长度。在信号带宽 > 1 GHz 之前，损耗不会起作用。
使用标准 62 密耳厚 2 层板的 6 密耳宽走线的特性阻抗将很高，约为 150 欧姆。如果您的上升时间足够短或互连长度足够长而需要端接，只要走线不脱离板外，则 150 欧姆走线的端接与 50 欧姆走线一样容易，并且功耗较小。
1 oz 铜中 20 mil 宽的走线可以处理 3 A 的直流电流，而不会出现明显的温度升高。其串联电阻约为 25 mOhms/inch。4 英寸长的电源走线只有 0.1 欧姆的串联电阻，通常并不重要。如果任何电源路径将承载超过 3 A 的电流，则将走线增加到 100 mil 宽将启用 10 A 直流电流。
在我班上的第一个实验室中，学生们测试炸毁板上的迹线需要多少电流。他们使用一个简单的电路板，如图 3 所示。
习惯 2：在第 1 层布线组件、信号和电源路径，在第 2 层布线
如果走线下面有连续的返回路径，您可以随意制作，不会对性能造成影响。关键是在信号线下使用连续的返回路径。最简单的方法是在电路板的底层使用实心接地层。
这为所有组件、信号路由和电源路由留下了顶层。能够跟踪信号路径使调试变得更容易。而且，一目了然，您可以通过线宽分辨哪些走线是信号，哪些是电源。
习惯 3：调整组件以减少拥塞的布线和间隔较远的信号走线
给定组件布局，尝试将信号路由到尽可能远的距离，以减少线间串扰。迹线具有相当高的特性阻抗。由于距离返程飞机较远，所以他们之间会有一些串扰。相邻信号之间的距离越近，串扰越大。在最接近的间距处，近端串扰可高达 25%。将走线间隔得更远将减少近端串扰。
习惯4：当你需要在底层布线时，把它缩短。当你不能让它变短时，在它上面加一条回程带
最佳设计实践的目标是为每条信号线提供低阻抗返回路径，以使相邻信号返回路径对之间的互感较低。当您在接地层中布线信号线时，您必须在其周围留出隔离间隙。在此间隙上方布线的信号迹线将在返回路径中看到一个间隙，并与同样穿过该间隙的其他信号产生串扰。
最小化这个问题的方法是保持间隙短，这样返回电流就只有一条短路径。当它是一个长的间隙时，添加一条跳过顶层间隙的返回路径。图 4 显示了交叉底部的间隙示例，其中返回带在顶层布线。
习惯 5：去耦电容尽可能靠近 IC 的电源引脚放置，并且回路电感尽可能低
在最小的主体中使用最大尺寸的电容器，其额定电压至少是预期轨道应用的 2 倍。这通常是一个 22 uF MLCC 电容器。电容的大小取决于您要去耦的组件的电流消耗。如果您不打算进行分析，根据经验，22 uF 将处理 22 mA 的瞬态电流，并具有最小的电压降。
电容的大小不如 IC 的电源和接地引脚与去耦电容之间的低环路电感重要。这通常意味着将电容器放置在靠近 IC 引脚的位置，并在电源和接地路径上使用短而宽的走线。有时使用多个电容器，这可以实现为电源水坑。图 5 显示了一个示例。
习惯 6：在所有连接器上，尽可能为每个数字信号分配一个返回
接地反弹或开关噪声的一个影响因素是多个信号共享同一个返回引脚。在许多连接器中，可能只有 1 或 2 个具有多个信号切换的返回引脚。这是地面反弹的秘诀。Arduino 接头引脚就是这种情况。有 1 个接地引脚和 13 个可以切换的数字 I/O。这是地反弹如此之多的原因之一。
习惯 7：不要遵循两个流行的准则：
不要为每个电源引脚使用三个不同值的电容器，即 10 uF、1 uF 和 0.1 uf。这解决不了任何问题。而且，如果做得不仔细，有时会增加额外的问题。如果有空间容纳三个电容器，请将它们全部布线为低环路电感，并使它们全部为 22 uF。
切勿使用铜填充物。它没有解决任何问题，有时还会产生其他问题。不要将电源用作铜填充物，而是将电源路由为走线。通过这种方式，您可以跟踪电源路径以验证连接性和调试。它从 IC 到去耦电容器，其中低环路电感很重要。即使是 10 A 的直流电流也只需要 100 mil 宽的走线。
如果是地面填充，请使用底层作为地面并仔细管理返回路径。不要依赖顶部铜填充物接地。很容易引入返回路径不连续性而没有意识到这一点。
不要以为添加连接到地网的铜填充物会减少串扰。如果您有不重叠的连续返回路径，则串扰将很低而没有任何填充。如果有空间在信号走线之间添加铜填充，走线之间的间距将足够大，可能具有可接受的低串扰。除非您正确处理填充，否则它通常会增加而不是减少串扰。
总结
遵循这些设计指南并不能保证产品的成功。它们将降低串扰或电源轨噪声问题可能导致您的产品出现故障的风险。所有这些设计习惯都是免费的，它们都有助于降低风险。
作为我班上的最后一个练习，我让我的学生重新审视 Arduino 板，并使用这些最佳设计实践指南进行布局。图 6 是我的两个学生 Raj Lavingia 和 Yash Gupte 使用 Atmega 32U4 微控制器为 Arduino 的 2 层版本提出的示例。
你会注意到这个设计包含了所有的习惯：
信号宽 6 mil，电源走线宽 20 mil，信号过孔宽 13 mil
第 1 层（红色）是组件、信号和电源走线。第 2 层，蓝色是实心接地层
信号迹线尽可能分散
在接地平面中布线的跨接器的情况下，间隙保持较短，当它们较长时，使用返回带。
去耦电容靠近具有低电感电源和接地回路的电源引脚布线。
在插头引脚中，在数字引脚的外部添加了额外的一排接地连接。使用了 Arduino 接头引脚的标准封装，但增加了外排引脚。
任何层都没有铜填充，只使用一个值的去耦电容。
除了降低信号和电源完整性问题风险的最佳设计实践外，该板还添加了四个其他重要的最佳设计实践功能：
多个 LED 指示灯显示每个导轨上的电源和一些数字功能。
隔离跳线将电源与某些电路隔离，方便我们调试
具有相邻返回连接的信号的多个测试点，可与具有弹簧尖端或同轴尖端的 10x 探头一起使用
自由使用丝印信息，使其易于组装、测试和启动。
将其中一些设计习惯融入您的设计中，从而降低风险并增加您对电路板首次工作的信心。
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