兩個交替的 4 層 PCB 堆疊，阻抗為 50 歐姆

從 2 層板升級到 4 層板的新設(shè)計人員可能已準(zhǔn)備好開始使用電源層和接地層，并且大多數(shù)制造商將提供標(biāo)準(zhǔn)堆棧來幫助您構(gòu)建設(shè)計。 你經(jīng)?？吹酵扑]的基礎(chǔ)層是SIG/GND/PWR/SIG類型層，其中內(nèi)層是平面或大多邊形。 對于許多類型的設(shè)計，只要不犯一些簡單的布局和布線錯誤即可。

如果需要執(zhí)行更高級的操作，例如在電路板的兩側(cè)放置和布線高速組件，則需要使用交替層。 導(dǎo)致基本 4 層堆疊的典型布線錯誤涉及在表面之間布線高速信號而不提供清晰的返回路徑，從而導(dǎo)致電路板產(chǎn)生大量輻射 EMI。 相反，您應(yīng)該使用這些替代 4 層之一創(chuàng)建 PCB 堆棧和布局。

堆棧#1：GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

堆棧的外層接地，為外部 EMI 提供高屏蔽。 它還可以為ESD返回GND并最終返回到設(shè)備機箱或接地提供良好的簡單路徑，而無需沿著通過通孔到達內(nèi)層的路徑。 從EMI和ESD的角度來看，這種外層接地、低阻抗直連GND的設(shè)計絕對是最安全的設(shè)計。 如果有需要的話，還可以很好的擴展到更高的層次。

該堆棧對外部噪聲具有較高的屏蔽作用，但對抑制不同層高速信號之間的內(nèi)部噪聲（串?dāng)_）作用不大。

該堆棧的潛在問題是不同層上信號之間的串?dāng)_。 通常，電路板中的厚芯約為 40 mil，但這不一定足以確保布線不會受到串?dāng)_，尤其是在高速情況下。 防止電感串?dāng)_的最佳方法是在不同層上采用正交布線。 此外，請勿將其用于高速信號或高頻，否則您可能會看到信號層之間出現(xiàn)電容串?dāng)_（尤其是在高功率 GHz 頻率下）。

要消除串?dāng)_問題，請考慮反轉(zhuǎn)該堆棧，如下所示。

堆棧#2：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

對我來說，這種堆疊是更可取的，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。 這個堆棧只是前一個堆棧的反轉(zhuǎn)。 然而，其功能不同，并不一定意味著它能提供與外部噪聲源的高度隔離。 相反，對于電路板兩面都需要高速元件和布線的系統(tǒng)來說，它是更好的選擇。 設(shè)計這種 4 層堆棧以實現(xiàn) 50 歐姆控制阻抗也很容易。 最后，確保 GND 平面連接到發(fā)生信號轉(zhuǎn)換的相鄰過孔。 PCB設(shè)計和PCB加工制造商的解釋：兩種替代的50歐姆阻抗的4層PCB堆疊。

在SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR堆棧中，PWR平面中的數(shù)字返回電流可能沿著非常大的環(huán)路返回到地。 一種路徑是通過最近的去電容，但這并不能消除低頻 EMI。

該堆棧的缺點是對外部信號的屏蔽較低。 電路板兩側(cè)的信號相互屏蔽，但不受外部輻射源的影響。 該堆棧的另一個優(yōu)點是您可以直接布線到組件中，而無需切割地平面。 總的來說，與標(biāo)準(zhǔn)的SIG/PWR/GND/SIG堆棧相比，該堆棧和之前的堆棧的這些優(yōu)點非常適合兩個表面上布線的高速設(shè)計。

為什么這些堆棧更適合單端高速信號

4層板的標(biāo)準(zhǔn)SIG/PWR/GND/SIG層壓仍然適用于高速，但只能在板的一側(cè)可靠地支持中高速數(shù)字。 這是因為SIG/GND層非常適合數(shù)字信號； 與 GND 層相鄰的信號層是應(yīng)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布線定義為 50 歐姆（或其他阻抗），而不會使布線太寬。

• 屏蔽：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR堆疊對內(nèi)部噪聲和層間串?dāng)_的屏蔽能力最高，而反向堆疊對外部噪聲的屏蔽能力最高。 但如果接線不正確，就會產(chǎn)生內(nèi)部串?dāng)_

• 清晰的返回路徑：電容耦合返回路徑具有低阻抗，因為它是在接地層中直接激勵的。 與 SIG/PWR 層對相比，SIG/PWR 層對呈現(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，并且您需要提供返回路徑。 電源層中感測到的返回路徑是不可預(yù)測的并且可能非常大。

在SIG/PWR/GND/SIG堆棧中，PWR平面中的數(shù)字返回電流可能沿著非常大的環(huán)路返回到地。 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，可以在電源層上方布線周圍的表層上放置創(chuàng)可貼。 然而，布線和信號之間的電容耦合可能很弱，并且不能保證 EMI 的顯著降低。

盡管理想的數(shù)字信號層只有一層而不是兩層，但標(biāo)準(zhǔn) SIG/PWR/GND/SIG 堆棧還有其他優(yōu)勢。 使用專用電源層，您仍然可以傳輸比用于傳輸電源的銅包層更高的電流； 這在需要一些數(shù)字控制電路的電力系統(tǒng)中非常有用。 背面層可用于固定各種其他組件，例如連接器或無源組件。

標(biāo)準(zhǔn) 4 層堆疊設(shè)計（尤其是在 4 層電路板中放置電源時）的要點如下： 包含專用電源層不會導(dǎo)致您的設(shè)計自動通過 EMC 測試。 但是，不要僅僅因為您在統(tǒng)一電源層上布線，就認為您可以隨意連接數(shù)字信號。 更重要的是了解返回路徑如何在電源層中傳播以及它最終如何通過高阻抗返回路徑耦合回地面。

無論您想要構(gòu)建哪種類型的 4 層 PCB 堆棧，您使用的設(shè)計工具都可以幫助您快速定制堆棧并創(chuàng)建 PCB 布局。 兩者都可以創(chuàng)建將設(shè)計從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)所需的原理圖、PCB 布局和制造文檔。