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兩個具有50歐姆阻抗的替代4層PCB 堆疊
兩個具有50歐姆阻抗的替代4層PCB 堆疊
從 2 層板升級到 4 層板的新設計師可能已經(jīng)準備好開始使用電源和接地層，并且大多數(shù)制造商都會提供標準疊層來幫助您構(gòu)建設計。您經(jīng)常會看到推薦的基本疊層是 SIG/GND/PWR/SIG 類型的疊層，其中內(nèi)部層是平面或大多邊形。對于許多類型的設計，只要不犯一些簡單的布局和布線錯誤就可以了。
如果您需要執(zhí)行更高級的操作，例如在電路板兩側(cè)放置和布線高速組件，則需要使用替代疊層。導致基本 4 層堆疊的典型布線錯誤涉及在表層之間布線高速信號而沒有提供清晰的返回路徑，從而導致電路板產(chǎn)生大量輻射 EMI。相反，您應該使用這些替代的 4 層疊層之一來創(chuàng)建您的 PCB疊層和布局。
堆疊 #1：GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND
該疊層在外層使用接地以提供對外部 EMI 的高屏蔽。它還可以為 ESD 返回 GND 并最終返回到設備底盤或接地提供一個很好的簡單路徑，而無需遵循通過通孔到達內(nèi)部層的路徑。從 EMI 和 ESD 的角度來看，這種類型的設計，外層接地，低阻抗直接連接到 GND，絕對是最安全的設計。如果需要，它還可以很好地擴展到更高的層數(shù)。
這種疊層提供了對外部噪聲的高屏蔽，但對抑制不同層上高速信號之間的內(nèi)部噪聲（串擾）幾乎沒有作用。
這種疊層的潛在問題是不同層上的信號之間的串擾。通常情況下，電路板中的粗芯約為 40 密耳左右，但這不一定足以保證走線不會收到串擾，尤其是在高速情況下。防止電感串擾的最佳方法是在不同層上使用正交布線。此外，請勿將其用于過高速度的信號或高頻，否則您可能會看到信號層之間的電容串擾（在高功率 GHz 頻率下更是如此）。
要消除串擾問題，請考慮如下所示反轉(zhuǎn)此疊層。
堆疊 #2：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR
對我來說，這種疊層更可取，特別是對于任何需要在電路板的兩個表面層之間傳輸高速信號的電路板。這個疊加只是前一個疊加的倒置。然而，它的功能是不同的，它并不一定意味著提供與外部噪聲源的高度隔離。相反，它是需要高速組件和電路板兩側(cè)布線的系統(tǒng)的更好選擇。為 50 歐姆控制阻抗設計這種4 層疊層也很容易。最后，確保在進行信號轉(zhuǎn)換的任何地方將 GND 平面與附近的過孔連接。
在 SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR 疊層中，PWR 平面中的數(shù)字返回電流可能會沿著一個非常大的回路返回接地。一種路徑是通過最近的去電容，但這并不能消除低頻 EMI。
這種疊層的折衷是對外層信號的屏蔽較低。電路板每一側(cè)的信號相互屏蔽，但不受外部輻射源的影響。這種疊層還有另一個優(yōu)勢，即您可以直接布線到組件中，而無需切割地平面。總體而言，與標準 SIG/PWR/GND/SIG 疊層相比，此疊層和之前的疊層的這些優(yōu)勢非常適合在兩個表面上布線的高速設計。
為什么這些堆疊更適合單端高速信號
4 層板的標準 SIG/PWR/GND/SIG 疊層仍然適用于高速，但您只能在板的一側(cè)可靠地支持中到高速數(shù)字。這是由于 SIG/GND 層對非常適合數(shù)字信號；與GND層相鄰的信號層是應該用于數(shù)字的層，原因如下：
受控阻抗： GND 層和 SIG 層之間的緊密間距允許您將受控阻抗單端走線定義為 50 歐姆（或某些其他阻抗），而不會使走線過寬。
屏蔽： SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR疊層對內(nèi)部噪聲和層間串擾的屏蔽能力最高，而反向疊層對外部噪聲的屏蔽能力最高，但如果布線不正確，則會產(chǎn)生內(nèi)部串擾.
清晰的返回路徑：電容耦合返回路徑具有低阻抗，因為它直接在接地層中被激發(fā)。將此與 SIG/PWR 層對形成對比，后者呈現(xiàn)高阻抗返回路徑或產(chǎn)生 EMI 的非常大的返回電流環(huán)路。
您將看到使用這些替代堆棧之一的最大原因是此列表中的最后一點，需要提供返回路徑。電源平面中感應的返回路徑是不可預測的，并且可能非常大。
在 SIG/PWR/GND/SIG 疊層中，PWR 平面中的數(shù)字返回電流可能會沿著非常大的回路返回接地。一種路徑是通過最近的去電容，但這并不能消除低頻 EMI。
為了嘗試減少數(shù)字信號返回路徑的環(huán)路面積和阻抗，一個創(chuàng)可貼可能是在電源平面上方的走線周圍的表層上放置一些覆銅。但是，走線和信號之間的電容耦合可能很弱，并且不能保證大幅降低 EMI。
盡管您只有一個理想的數(shù)字信號層而不是兩層，但標準的 SIG/PWR/GND/SIG 疊層還有其他優(yōu)點。使用專用電源平面，您仍然可以路由比用于路由電源的覆銅更高的電流；這在需要一些數(shù)字控制電路的電力系統(tǒng)中很有用。背層可用于固定各種其他組件，如連接器或無源器件。
標準 4 層堆疊設計的重要要點，尤其是在 4 層電路板中放置電源時，是這樣的：包括專用電源層不會導致您的設計自動通過 EMC 測試。但是，不要僅僅因為您在統(tǒng)一的電源平面上布線就假設您可以隨意布線您的數(shù)字信號。了解返回路徑如何在電源平面中傳播以及它最終如何通過高阻抗返回路徑耦合回地面更為重要。
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