具有電源層和接地層的堆疊

　　圖 1 和圖 2 顯示了兩種常見的四層板疊層。對于這兩種板，層的順序完全相同，但厚度不同。這看起來像是一個很小的修改，但我們會看到不同層之間適當的間距可以提高電路板的性能。

　　圖 1.圖片由電磁兼容性工程公司提供。

　　圖 2.圖片由電磁兼容性工程提供。

　　正如您所看到的，兩個信號層都位于平面層（接地層或電源層）旁邊。因此，給定信號的返回電流可以在相鄰平面上流動。這樣可以通過化電流產生的環路面積來化電流返回路徑電感。低電感返回路徑可提高噪聲性能并減少電路板輻射（差分和共模發射）。

　　一般來說，與兩層板上實現的相同電路相比，四層板的輻射可減少約 20 dB。保持信號靠近固體平面是這里發揮作用的關鍵因素。因此，為了進一步改善噪聲和EMI性能，我們可以使信號層與其相鄰平面之間的絕緣體更薄。這個簡單的技巧為我們提供了圖 2 所示的改進層疊，其中信號層和層之間的耦合增加，但代價是接地層和電源層之間的耦合減少。這可能不是一個嚴重的缺點，因為實際上這兩個疊層都不能提供足夠的平面到平面耦合。我們稍后將更詳細地討論這個問題。請注意，兩個疊層具有相同的整體板厚度。

　　圖 1 和圖 2 的疊層是常用的，但它們有兩個缺點，這兩個缺點都是由于接地層和電源層彼此距離不夠近，因此僅存在很小的層間電容。它們之間。

　　傳統四層堆疊的缺點

　　當走線從第 1 層更改為第 4 層或反之亦然時，圖 1 和圖 2 中的層疊的個問題就會出現。如圖 3 所示。

　　圖 3.圖片由Altium提供。

　　該圖顯示，當信號走線從第 1 層到第 4 層（紅線）時，返回電流也必須改變平面（藍線）。如果信號的頻率足夠高并且平面靠得很近，則返回電流可以流過接地層和電源層之間存在的層間電容。然而，由于缺少返回電流的直接導電連接，會導致返回路徑中斷，我們可以將這種中斷想象為平面之間的阻抗（見圖 4）。

　　圖 4.圖片由電磁兼容性工程提供。

　　如果層間電容不夠大，電場將分布在電路板相對較大的區域上，從而層間阻抗減小，并且返回電流可以流回頂層。在這種情況下，該信號產生的場可能會干擾附近改變層的信號的場。這根本不是我們所希望的。不幸的是，在 0.062 英寸的 4 層板上，各層之間的距離較遠（至少 0.020 英寸，如圖 1 和圖 2 所示），并且層間電容很小。因此，就會出現上述的電場干擾。這可能不會導致信號完整性問題，但肯定會產生更多的 EMI。這就是為什么在使用圖 1 和圖 2 所示的層疊時，我們避免更改層，特別是對于時鐘等高頻信號。

　　通常的做法是在過渡過孔附近添加一個去耦電容器，以降低返回電流所經歷的阻抗（參見圖 5）。然而，這種去耦電容器由于其自諧振頻率較低，因此對于甚高頻信號無效。對于頻率高于 200-300 MHz 的交流信號，我們不能依靠去耦電容器來創建低阻抗返回路徑。因此，我們需要一個去耦電容器（對于 200-300 MHz 以下）和一個相對較大的板間電容以用于更高的頻率。

　　圖 5 圖片由Altium提供。

　　通過不改變關鍵信號的層可以避免上述問題。然而，四層板的小板間電容導致了另一個嚴重的問題：電力傳輸。時鐘數字IC通常需要大的瞬態電源電流。隨著 IC 輸出的上升/下降時間縮短，我們需要以更高的速率提供能量。為了提供電荷源，我們通常將去耦電容器放置在非?？拷總€邏輯 IC 的位置。然而，存在一個問題：當我們超出自諧振頻率時，去耦電容器無法有效地存儲和傳遞能量，因為在這些頻率下，電容器將像電感器一樣工作。

　　由于當今大多數 IC 都具有快速上升/下降時間（約 500 ps），因此我們需要一個額外的去耦結構，其自諧振頻率高于去耦電容器的自諧振頻率。電路板的層間電容可以是一種有效的去耦結構，前提是各層彼此足夠接近以提供足夠的電容。因此，除了采用常用的去耦電容器外，我們更喜歡采用緊密間隔的電源層和接地層來為數字 IC 提供瞬態電源。

　　請注意，由于通用的電路板制造工藝，我們通常在四層板的第二層和第三層之間沒有薄絕緣體。在第 2 層和第 3 層之間具有薄絕緣體的四層板的成本可能比傳統的四層板高得多。

　　兩個改進的堆棧

　　下面的圖 6 和圖 7 顯示了四層板的兩種改進的疊層。

　　圖 6.圖片由電磁兼容性工程提供。

　　圖 7.圖片由電磁兼容性工程提供。

　　與圖 1 和 2 的疊層一樣，信號走線應鄰近平面，并且電流返回路徑電感應化。在這方面，圖 6 中的堆疊可能并不理想，因為安裝的組件將阻止我們在第 1 層上擁有堅固的接地層。假設我們可以在接地層的堅固部分上布線大部分信號跡線，我們觀察到信號層和平面之間的絕緣體很薄，這是非常理想的。

　　圖 6 和圖 7 中的疊層有兩個接地層。這使我們能夠擁有低阻抗接地結構并減少共模輻射。此外，在圖 6 中，接地層包圍信號層。作為屏蔽層，這些平面可以容納來自高速信號跡線的輻射。我們甚至可以在電路板的外圍放置縫合過孔，將兩個接地層連接在一起。這將創建一個法拉第籠并進一步遏制輻射。圖 7 中的層疊平面不能充當屏蔽層。

　　通過這兩個堆疊，我們就沒有電源層了。我們可以使用電源澆注或網格電源結構。如果我們可以布置信號和電源走線并將組件安裝在一層（第 1 層）上，則可以采用圖 7 中的疊層（該疊層具有堅固的接地層）。然而，如果我們沒有足夠的空間來容納所有這些，我們可以使用圖 6 中的堆棧。

　　盡管這兩個疊層沒有堅固的電源層，但電源層非?？拷拥貙?。因此，功率注入和接地層將產生相對較大的電容，可以充當高頻下的去耦結構。備受尊敬的 PCB 設計師 Rick Hartley 提供了測量數據，證實圖 6 和圖 7 的電源層和平面之間的去耦優于傳統四層板的接地層和電源層提供的去耦（圖 1 和 2 ））。使用改進的疊層的去耦結構以及常用的去耦電容器，我們可以更輕松地為高速數字 IC 提供瞬態電源。