两个交替的 4 层 PCB 堆叠，阻抗为 50 欧姆

两个交替的 4 层 PCB 堆叠，阻抗为 50 欧姆

从 2 层板升级到 4 层板的新设计人员可能已准备好开始使用电源层和接地层，并且大多数制造商将提供标准堆栈来帮助您构建设计。 你经常看到推荐的基础层是SIG/GND/PWR/SIG类型层，其中内层是平面或大多边形。 对于许多类型的设计，只要不犯一些简单的布局和布线错误即可。

如果需要执行更高级的操作，例如在电路板的两侧放置和布线高速组件，则需要使用交替层。 导致基本 4 层堆叠的典型布线错误涉及在表面之间布线高速信号而不提供清晰的返回路径，从而导致电路板产生大量辐射 EMI。 相反，您应该使用这些替代 4 层之一创建 PCB 堆栈和布局。

堆栈#1：GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

堆栈的外层接地，为外部 EMI 提供高屏蔽。 它还可以为ESD返回GND并最终返回到设备机箱或接地提供良好的简单路径，而无需沿着通过通孔到达内层的路径。 从EMI和ESD的角度来看，这种外层接地、低阻抗直连GND的设计绝对是最安全的设计。 如果有需要的话，还可以很好的扩展到更高的层次。

该堆栈对外部噪声具有较高的屏蔽作用，但对抑制不同层高速信号之间的内部噪声（串扰）作用不大。

该堆栈的潜在问题是不同层上信号之间的串扰。 通常，电路板中的厚芯约为 40 mil，但这不一定足以确保布线不会受到串扰，尤其是在高速情况下。 防止电感串扰的最佳方法是在不同层上采用正交布线。 此外，请勿将其用于高速信号或高频，否则您可能会看到信号层之间出现电容串扰（尤其是在高功率 GHz 频率下）。

要消除串扰问题，请考虑反转该堆栈，如下所示。

堆栈#2：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

对我来说，这种堆叠是更可取的，特别是对于任何需要在电路板的两个表面层之间传输高速信号的电路板。 这个堆栈只是前一个堆栈的反转。 然而，其功能不同，并不一定意味着它能提供与外部噪声源的高度隔离。 相反，对于电路板两面都需要高速元件和布线的系统来说，它是更好的选择。 设计这种 4 层堆栈以实现 50 欧姆控制阻抗也很容易。 最后，确保 GND 平面连接到发生信号转换的相邻过孔。 PCB设计和PCB加工制造商的解释：两种替代的50欧姆阻抗的4层PCB堆叠。

在SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR堆栈中，PWR平面中的数字返回电流可能沿着非常大的环路返回到地。 一种路径是通过最近的去电容，但这并不能消除低频 EMI。

该堆栈的缺点是对外部信号的屏蔽较低。 电路板两侧的信号相互屏蔽，但不受外部辐射源的影响。 该堆栈的另一个优点是您可以直接布线到组件中，而无需切割地平面。 总的来说，与标准的SIG/PWR/GND/SIG堆栈相比，该堆栈和之前的堆栈的这些优点非常适合两个表面上布线的高速设计。

为什么这些堆栈更适合单端高速信号

4层板的标准SIG/PWR/GND/SIG层压仍然适用于高速，但只能在板的一侧可靠地支持中高速数字。 这是因为SIG/GND层非常适合数字信号； 与 GND 层相邻的信号层是应该用于数字的层，原因如下：

• 受控阻抗：GND 层和 SIG 层之间的紧密间距允许您将受控阻抗单端布线定义为 50 欧姆（或其他阻抗），而不会使布线太宽。

• 屏蔽：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR堆叠对内部噪声和层间串扰的屏蔽能力最高，而反向堆叠对外部噪声的屏蔽能力最高。 但如果接线不正确，就会产生内部串扰

• 清晰的返回路径：电容耦合返回路径具有低阻抗，因为它是在接地层中直接激励的。 与 SIG/PWR 层对相比，SIG/PWR 层对呈现高阻抗返回路径或产生 EMI 的非常大的返回电流环路。

您将看到使用这些替代堆栈之一的最大原因是此列表中的最后一点，并且您需要提供返回路径。 电源层中感测到的返回路径是不可预测的并且可能非常大。

在SIG/PWR/GND/SIG堆栈中，PWR平面中的数字返回电流可能沿着非常大的环路返回到地。 一种路径是通过最近的去电容，但这并不能消除低频 EMI。

为了尝试减少数字信号返回路径的环路面积和阻抗，可以在电源层上方布线周围的表层上放置创可贴。 然而，布线和信号之间的电容耦合可能很弱，并且不能保证 EMI 的显着降低。

尽管理想的数字信号层只有一层而不是两层，但标准 SIG/PWR/GND/SIG 堆栈还有其他优势。 使用专用电源层，您仍然可以传输比用于传输电源的铜包层更高的电流； 这在需要一些数字控制电路的电力系统中非常有用。 背面层可用于固定各种其他组件，例如连接器或无源组件。

标准 4 层堆叠设计（尤其是在 4 层电路板中放置电源时）的要点如下： 包含专用电源层不会导致您的设计自动通过 EMC 测试。 但是，不要仅仅因为您在统一电源层上布线，就认为您可以随意连接数字信号。 更重要的是了解返回路径如何在电源层中传播以及它最终如何通过高阻抗返回路径耦合回地面。

无论您想要构建哪种类型的 4 层 PCB 堆栈，您使用的设计工具都可以帮助您快速定制堆栈并创建 PCB 布局。 两者都可以创建将设计从概念转变为生产所需的原理图、PCB 布局和制造文档。