インピーダンス50Ωの2つの4層PCBスタックアップ

2層基板を卒業して4層基板に移行する新人設計者は、おそらくパワープレーンとGNDプレーンで作業する準備ができているでしょう。そして、ほとんどの製造業者は設計の構築に役立つ標準的なスタックアップを提供しています。基本的なスタックアップで多くの場合推奨されるのは、内部レイヤーがプレーンまたは大きなポリゴンであるSIG/GND/PWR/SIGタイプのスタックアップです。ほとんどの種類のデザインでは、単純なレイアウトや配線の間違いをしない限り、これで問題はありません。

基板の両側に高速コンポーネントを配置して配線するなど、より高度なことをする必要があるなら、代替のスタックアップを使用する必要があります。基本的な4層スタックアップでの典型的な配線ミスは、明確なリターンパスを設定せずに表面レイヤー間で高速信号を配線して、その結果、基板から大量の電磁波ノイズ (EMI) が放射されることに関係しています。代わりに、これらの4層スタックアップのいずれかを使用して、PCBスタックアップとレイアウトを作成すべきです。

スタックアップ #1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

このスタックアップは、外層にグランドを使用して外部EMIに対する高シールドを提供します。また、ビアを通って内部層へのパスをたどる必要がなく、ESDがGNDに戻り、最終的にはデバイスのシャーシまたはアースに戻る簡単なパスも提供できます。外層にグランドを設け、トレースで直接GNDに低インピーダンス接続する、このタイプの設計は、EMIとESDの観点からは間違いなく最も安全な設計です。また、必要に応じて、より多くのレイヤー数に適切にスケーリングします。

このスタックアップに伴う潜在的な問題は、異なるレイヤーの信号間のクロストークです。通常、基板の厚いコアは約40ミル程度ですが、これは、特に高速時にトレースがクロストークを受けないことを保証するのに必ずしも十分な間隔ではありません。誘導性クロストークを防ぐ最善の方法は、異なるレイヤーで直角配線することです。さらに、これを過度に高速な信号または高周波数で使用しないでください。そうしないと、信号層間で容量性クロストークが発生する可能性があります (高出力 GHz 周波数ではさらに問題が大きくなります)。

クロストークの問題を解決するには、以下に示すようにこのスタックアップを反転することを検討してください。

スタックアップ #2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

私は、このスタックアップを、特に基板の2つの表面層間で高速信号を転送する必要がある基板で優先しています。このスタックアップは、前のスタックアップを反転したものにすぎません。ただし、その機能は異なり、必ずしも外部ノイズ源からの高い絶縁を提供することを意図するものではありません。むしろ、高速コンポーネントと基板の両側での配線を必要とするシステムにとっては、より良いオプションです。この50Ωに制御されたインピーダンスの4層スタックアップを設計することも簡単です。最後に、信号の遷移が行われる場所の近くにあるビアでGNDプレーンを接続するようにしてください。

このスタックアップのトレードオフとなる点は、外層の信号のシールドが低下することです。基板の各面の信号は相互にシールドされていますが、外部放射線源からはシールドされていません。このスタックアップには、GNDプレーンを切断する必要なく、コンポーネントに直接配線できるというもう1つの利点があります。全体として、このスタックアップと以前のスタックアップのこれらの利点は、標準のSIG/PWR/GND/SIGスタックアップと比較して、両面に配線を行う高速設計に最適です。

これらのスタックアップがシングルエンド高速信号に適している理由

4層基板の標準SIG/PWR/GND/SIGのスタックアップは、高速ではまだ問題はないのですが、中速から高速のデジタルを確実にサポートできるのは基板の片面だけです。これは、デジタル信号に最適なSIG/GND層の組み合わせによるもので、GND層に隣接する信号層は、以下の理由からデジタルに使用されるべき層です。

• インピーダンス制御: GND層とSIG層の間の間隔が狭いため、トレースを過度に広くすることなく、制御されたインピーダンスのシングルエンドトレースを50Ω (またはその他のインピーダンス値) に規定できます。
• シールド: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRのスタックアップは、内部ノイズとレイヤー間クロストークからのシールドが最も高く、逆スタックアップは外部ノイズからのシールドが最も高いですが、正しく配線しないと内部クロストークが発生します。
• 明確なリターンパス: 容量結合されたリターンパスはGNDプレーンで直接励起されるため、インピーダンスが低くなります。これとは対照的に、SIG/PWR層の組み合わせでは、高インピーダンスのリターンパス、またはEMIを生成する非常に大きなリターン電流ループが存在します。

これらの代替のスタックアップのいずれかを使用する最大の理由は、このリストの最後のポイント、つまりリターンパスを提供する必要があることです。パワープレーンに生じるリターンパスは予測不可能であり、非常に大きくなる可能性があります。

デジタル信号のリターンパスのループ面積とインピーダンスを減らそうとする場合、パワープレーンの上のトレース周辺の表層に銅を流すという応急処置があります。ただし、トレースと信号間の容量結合は弱い可能性があり、EMIが大幅に低減されるという保証はありません。

デジタル信号には2層ではなく1つの層しかありませんが、標準のSIG/PWR/GND/SIGスタックアップには他の利点もあります。専用のパワープレーンがあれば、電力の配線に使用される銅管よりも高い電流をまだ配線することができます。これは、デジタル制御回路を必要とする電力システムで役立つと考えられます。背面層は、コネクタや受動部品など、他のさまざまなコンポーネントを収納するのに使用できます。

標準の4層スタックアップ設計、特に4層基板に電源を入れる場合、重要なポイントは、専用の電源層を含めても設計がEMCテストに自動的に不合格になることはないという点です。ただし、均一なパワープレーンを介して配線しているからといって、デジタル信号を好きなように配線できるとは想定しないでください。リターンパスがパワープレーン内でどのように伝播するか、そしてそれが最終的に高インピーダンスのリターンパスを介してどのようにグランドに結合するかを理解することの方が、もっと重要です。

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