Deux empilages de circuits imprimés à quatre couches avec une impédance de 50 Ohms

Les nouveaux concepteurs qui passent d'une carte à deux couches à une carte à quatre couches sont probablement prêts à commencer à travailler avec des plans d'alimentation et de masse.

De plus, la plupart des fabricants vous donneront un empilage standard pour vous aider dans votre conception.

L'empilage de référence est le SIG/GND/PWR/SIG. Ses couches internes sont des plans ou de grands polygones. Ils sont parfaitement adaptés à la plupart des conceptions tant que vous ne faites pas de simples erreurs de routage et de topologie.

Si vous souhaitez faire une conception plus élaborée, comme le placement et le routage des composants haute vitesse des deux côtés de la carte, vous devez utiliser un autre empilage.

L'erreur de routage typique qui résulte de l'empilage de base à quatre couches consiste à router des signaux haute vitesse entre les couches de surface sans prévoir un chemin de retour clair, ce qui engendre de nombreuses interférences électromagnétiques rayonnées à partir de la carte.

Nous vous recommandons d'utiliser l'un de nos deux exemples de "4 layer PCB stackup" pour créer votre empilage et votre routage de circuits imprimés.

Deux exemples de "4 layer PCB stackup" pour votre empilage à quatre couches

Empilage n°1 : GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

Cet empilage utilise la masse sur les couches externes pour fournir un blindage élevé contre les interférences électromagnétiques externes.

Il peut également fournir un chemin facile pour les décharges électrostatiques vers le GND et éventuellement vers le châssis de l'appareil ou la terre sans avoir besoin de suivre un chemin à travers un via jusqu'à une couche interne.

Ce type de conception, avec une mise à la masse sur les couches externes et des connexions à faible impédance vers le GND directement avec les pistes, est sans aucun doute la plus sûre du point de vue des interférences électromagnétiques et des décharges électrostatiques (ESD).

Elle s'adapte aussi facilement à un nombre de couches plus élevé, si nécessaire.

Le risque de cet empilage est la diaphonie entre les signaux sur différentes couches. Normalement, le noyau de la carte a une épaisseur d'environ 40 mils, mais cette distance n'est pas nécessairement suffisante pour garantir que les pistes ne recevront pas de diaphonie, surtout à haute vitesse.

La meilleure façon de prévenir la diaphonie inductive est d'utiliser un routage orthogonal sur différentes couches.

De plus, ne l'utilisez pas avec des signaux haute vitesse excessivement élevés ou des fréquences élevées, sinon vous risquez de voir apparaître une diaphonie capacitive entre les couches de signaux (problème beaucoup plus important à des fréquences GHz haute puissance).

Pour éliminer le problème de diaphonie, pensez à inverser cet empilage comme indiqué ci-dessous.

Empilage n°2 : SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

Je vous recommande d'utiliser cet empilage, en particulier pour toute carte où des signaux haute vitesse doivent transiter entre les deux couches de surface de la carte. Cet empilage n'est qu'une inversion de l'empilage précédent.

Cependant, sa fonction est différente et il n'est pas nécessairement censé fournir une isolation élevée contre les sources de bruit extérieures.

Cette option est plutôt adaptée pour les systèmes qui nécessitent des composants haute vitesse et un routage des deux côtés de la carte. Il est également facile de concevoir cet empilage de quatre couches pour une impédance contrôlée de 50 Ohm.

Enfin, assurez-vous de connecter les plans GND avec un via à proximité de l'endroit où une transition de signal est effectuée.

La contrepartie de cet empilage est le blindage plus faible des signaux sur la couche externe. Les signaux de chaque côté de la carte sont protégés les uns des autres, mais pas des sources de rayonnement externes.

Cet empilage présente un autre avantage : vous pouvez router directement les composants sans avoir à découper le plan de masse.

Dans l'ensemble, les avantages de cet empilage et de l'empilage précédent sont idéaux pour les conceptions haute vitesse avec routage sur les deux surfaces par rapport à l'empilage standard SIG/PWR/GND/SIG.

Pourquoi les "4 layer PCB stackups" sont plus adaptés pour les signaux haute vitesse asymétriques ?

L'empilage standard SIG/PWR/GND/SIG pour une carte à quatre couches est toujours adapté à une vitesse élevée, mais vous pouvez uniquement prendre en charge une vitesse numérique modérée à élevée sur un côté de la carte.

La paire de couches SIG/GND est en effet idéale pour les signaux numériques. La couche de signal adjacente à la couche GND doit être utilisée pour le numérique pour les raisons suivantes :

• Impédance Contrôlée : le faible espacement entre la couche GND et la couche SIG permet de définir des pistes asymétriques à impédance contrôlée à 50 Ohms (ou une autre impédance) sans que les pistes soient excessivement larges ;
• Blindage : L'empilage SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR présente le meilleur blindage contre le bruit interne et la diaphonie entre les couches, tandis que l'empilage inverse présente le meilleur blindage contre le bruit externe, mais aussi la diaphonie interne s'il n'est pas correctement routé ;
• Chemin de retour clair : le chemin de retour à couplage capacitif a une faible impédance car il est excité directement dans le plan de masse. En revanche, la paire de couches SIG/PWR présente un chemin de retour à impédance élevée ou une boucle de courant de retour très importante qui génère des Interférences Électromagnétiques.

La principale raison invoquée pour justifier l'utilisation de l'un de ces empilages alternatifs est le dernier point de cette liste, où il est nécessaire de prévoir un chemin de retour. Le chemin de retour induit dans le plan d'alimentation est imprévisible et peut être très important.

Pour essayer de réduire la surface de la boucle et l'impédance du chemin de retour pour les signaux numériques, on peut placer une coulée de cuivre sur la couche de surface autour des pistes, au-dessus du plan d'alimentation.

Cependant, le couplage capacitif entre la piste et le signal peut être faible et il n'y a aucune garantie que les interférences électromagnétiques seront significativement réduites.

Bien que vous n'ayez qu'une seule couche idéale pour les signaux numériques et non deux, l'empilage standard SIG/PWR/GND/SIG présente d'autres avantages. Avec un plan d'alimentation dédié, vous pouvez encore router un courant plus élevé que dans la coulée de cuivre utilisée pour router l'alimentation.

Cette opération peut s'avérer utile dans un système d'alimentation qui nécessite des circuits de commande numérique. La couche arrière peut être utilisée pour contenir d'autres composants tels que des connecteurs ou des passifs.

Voici ce qu'il faut retenir de la conception standard de l'empilage à quatre couches, en particulier en ce qui concerne le placement de l'alimentation dans une carte à quatre couches : l'inclusion d'une couche dédiée à l'alimentation n'entraînera pas automatiquement l'échec de la conception aux tests de compatibilité électromagnétique CEM.

Cependant, ne partez pas du principe que vous pouvez router vos signaux numériques comme vous le souhaitez, car votre plan d'alimentation est uniforme. Vous devez avant tout comprendre comment un chemin de retour se propage dans un plan d'alimentation et comment il finit par être couplé à la masse par un chemin de retour à impédance élevée.

Quel que soit le type d'empilage de PCB à quatre couches que vous concevez, les outils de conception intuitifs de CircuitMaker peuvent vous aider à personnaliser rapidement votre empilage et à créer votre routage.

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