Due stack-up PCB a 4 layer con impedenza di 50 Ohm

I nuovi progettisti che passano da una scheda a 2 layer a un PCB a 4 layer sono probabilmente pronti per iniziare a lavorare con piani di massa e di alimentazione, e a tale proposito esiste uno stack-up standard che la maggior parte dei produttori ti fornirà per aiutarti a costruire il tuo progetto. Lo stack-up di base che vedrai spesso consigliato è uno stack-up di tipo SIG/GND/PWR/SIG, in cui i layer interni sono piani o grandi poligoni. Questa tipologia si adatta a molti tipi di progetti, purché non si commettano semplici errori di layout e di routing.

Se devi fare qualcosa di più avanzato, come il posizionamento e il routing dei componenti ad alta velocità su entrambi i lati della scheda, dovrai usare uno stack-up alternativo. Il tipico errore di routing che si verifica nello stack-up di base a 4 layer riguarda l'instradamento di segnali ad alta velocità tra i layer superficiali senza fornire un chiaro percorso di ritorno, con conseguente grandi quantità di emissioni EMI irradiate dalla scheda. Dovresti invece utilizzare uno di questi stack-up PCB a 4 layer alternativi per creare lo stack-up e il layout del tuo PCB.

Stack-up PCB a 4 layer N.1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

Questo stack-up PCB a 4 layer utilizza la terra sui layer esterni per fornire un'elevata schermatura contro le EMI esterne. Può anche fornire un percorso facile per le ESD fino al GND e infine allo chassis del dispositivo o alla terra, senza dover seguire un percorso attraverso una via fino a un layer interno. Questo tipo di progettazione, con messa a terra sui layer esterni e connessioni a bassa impedenza al GND direttamente mediante tracce, è sicuramente quella più sicura dal punto di vista delle EMI e delle ESD. Se necessario, si adatta bene anche a volumi di layer più elevati.

Il potenziale problema di questo stack-up è la diafonia tra segnali su diversi layer. Normalmente, lo spessore del nucleo della scheda sarà di circa 40 mil, ma questa non è necessariamente una distanza sufficiente per garantire che le tracce non ricevano diafonia, specialmente alle alte velocità. Il modo migliore per prevenire la diafonia induttiva è con il routing ortogonale su diversi layer. Inoltre, non usarlo con segnali a velocità eccessivamente elevata o ad alte frequenze, altrimenti potresti riscontrare una diafonia capacitiva tra i layer del segnale (un problema molto più grave alle frequenze GHz ad alta potenza).

Per eliminare il problema della diafonia, prendere in considerazione l'inversione di questo stack-up come mostrato di seguito.

Stack-up PCB a 4 layer N.2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

Per me, questo stack-up è preferibile, in particolare per qualsiasi scheda in cui i segnali ad alta velocità devono transitare tra i due layer superficiali della scheda. Questo stack-up è solo un'inversione dello stack-up precedente. Tuttavia, la sua funzione è diversa e non è necessariamente destinata a fornire un elevato isolamento dalle fonti di rumore esterne. È invece un'opzione migliore per i sistemi che richiedono componenti ad alta velocità e routing su entrambi i lati della scheda. È anche facile progettare questo stack-up a 4 layer per un'impedenza controllata da 50 Ohm. Infine, assicurati di collegare i piani GND a un via vicino ovunque venga effettuata una transizione di segnale.

Il compromesso con questo stack-up è una schermatura più bassa per i segnali sul layer esterno. I segnali su ciascun lato della scheda sono schermati gli uni dagli altri, ma non dalle fonti di radiazioni esterne. Questo stack-up presenta un altro vantaggio: è possibile instradarlo direttamente nei componenti senza dover tagliare il piano di massa. Nel complesso, i vantaggi di questo stack-up PCB a 4 layer e dello stack-up precedente sono ideali per progetti ad alta velocità con routing su entrambe le superfici rispetto allo stack-up SIG/PWR/GND/SIG standard.

Perché questi stack-up sono migliori per i segnali ad alta velocità single-ended

Lo stackup SIG/PWR/GND/SIG standard per una scheda a 4 layer può ancora andare bene per l'alta velocità, ma è possibile supportare in modo affidabile solo il digitale a velocità da moderata ad alta su un lato della scheda. Questo a causa della coppia di layer SIG/GND, che è ideale per i segnali digitali; il layer di segnale adiacente al layer GND è quello che dovrebbe essere utilizzato per il digitale per i seguenti motivi:

• Impedenza controllata: la distanza ravvicinata tra il layer GND e il layer SIG consente di definire tracce single-ended a impedenza controllata a 50 Ohm (o qualche altra impedenza) senza rendere le tracce eccessivamente ampie.
• Schermatura: lo stack-up SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR avrà la massima schermatura dal rumore interno e dalla diafonia tra strati, mentre lo stack-up inverso avrà la massima schermatura dal rumore esterno, ma avrà diafonia interna se non instradato correttamente.
• Percorso di ritorno chiaro: il percorso di ritorno ad accoppiamento capacitivo ha una bassa impedenza perché viene eccitato direttamente sul piano di massa. In contrasto con la coppia di strati SIG/PWR, che presenta un percorso di ritorno ad alta impedenza o un anello di corrente di ritorno molto ampio che genera EMI.

Il motivo principale che verrà citato per utilizzare uno di questi stack-up alternativi è il punto finale di questo elenco, dove è necessario fornire un percorso di ritorno. Il percorso di ritorno indotto nel piano di alimentazione è imprevedibile e potrebbe essere molto grande.

Per cercare di ridurre l'area del loop e l'impedenza del percorso di ritorno dei segnali digitali, una soluzione provvisoria potrebbe essere quella di versare del rame sul layer superficiale attorno alle tracce, sopra il piano di alimentazione. Tuttavia, l'accoppiamento capacitivo tra la traccia e il segnale potrebbe essere debole e non è garantita una significativa riduzione delle EMI.

Sebbene tu abbia solo un layer ideale per i segnali digitali al posto di due, lo stack-up SIG/PWR/GND/SIG standard presenta altri vantaggi. Con un piano di alimentazione dedicato puoi comunque instradare una corrente più elevata rispetto a quella che potresti ottenere con un tubo di rame utilizzato per il routing dell'alimentazione: questo potrebbe risultare utile in un sistema di alimentazione che richiede un circuito di controllo digitale. Il layer posteriore può essere utilizzato per contenere una varietà di altri componenti come connettori o componenti passivi.

L'aspetto importante del progetto standard a 4 layer, in particolare per quanto riguarda la collocazione dell'alimentazione in una scheda a 4 layer, è il seguente: l'inclusione di un layer di alimentazione dedicato non determina il fallimento automatico del tuo progetto nei test EMC. Tuttavia, non dare per scontato il fatto che puoi instradare i tuoi segnali digitali come preferisci solo perché li stai instradando su un piano di alimentazione uniforme. È più importante capire come un percorso di ritorno si propaghi in un piano di alimentazione e come alla fine si accoppi alla massa attraverso un percorso di ritorno ad alta impedenza.

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