Два стека четырехслойной печатной платы с импедансом 50 Ом

Начинающие разработчики, переходящие с двухслойных плат на четырехслойные, скорее всего, готовы к работе с плоскостями питания и земли, при этом большинство изготовителей предлагают стандартный стек, который поможет разработать проект. В качестве базового варианта часто рекомендуется использовать стек типа SIG/GND/PWR/SIG, в котором внутренние слои представляют собой плоскости или большие многоугольники. Для многих типов конструкций это вполне приемлемо, если не допускать элементарных ошибок в компоновке и маршрутизации.

Если требуется реализовать что-то более сложное, например разместить и маршрутизировать высокоскоростные компоненты с обеих сторон платы, придется воспользоваться альтернативным стеком. Типичная ошибка маршрутизации в базовом четырехслойном стеке заключается в прокладке высокоскоростных сигналов между поверхностными слоями без организации явного обратного пути, в результате чего плата излучает много электромагнитных помех. Поэтому при организации стека и разводки печатной платы следует использовать один из этих альтернативных вариантов четырехслойного стека.

Стек 1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

В этом стеке земля используется на внешних слоях для обеспечения высокого уровня экранирования от внешних электромагнитных помех. Он также может обеспечить путь для отвода электростатического разряда на землю и, в конечном счете, на шасси устройства или на заземление в обход пути через сквозное отверстие к внутреннему слою. Этот тип конструкции с заземлением на внешних слоях и низкоимпедансными соединениями с землей непосредственно с помощью дорожек, безусловно, является самой безопасной конструкцией с точки зрения электромагнитных помех и электростатического разряда. При необходимости он также хорошо масштабируется до большего количества слоев.

Потенциальная проблема этого стека заключается в перекрестных помехах между сигналами разных слоев. Обычно толщина сердечника платы составляет примерно 1 мм, но это расстояние не гарантирует отсутствие перекрестных помех на трассах, особенно при высоких скоростях. Лучшим способом предотвратить индуктивные перекрестные помехи служит ортогональная маршрутизация в разных слоях. Кроме того, им не следует пользоваться при слишком высоких скоростях передачи сигналов или на высоких частотах, иначе могут возникнуть емкостные перекрестные помехи между сигнальными слоями (эта проблема становится наиболее актуальной для мощных частот в диапазоне ГГц).

Чтобы устранить проблему перекрестных помех, попробуйте инвертировать этот стек, как показано ниже.

Стек 2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

На мой взгляд, такой стек предпочтительнее, особенно для плат, где требуется передавать высокоскоростные сигналы между двумя поверхностными слоями платы. Этот стек — просто инверсия предыдущего стека. Однако он работает по-другому и не всегда предназначен для надежной изоляции от внешних источников шума. Напротив, это оптимальный вариант для систем, где требуется использование высокоскоростных компонентов и маршрутизация с обеих сторон платы. Также легко разработать такой четырехслойный стек с контролируемым импедансом 50 Ом. И наконец, не забудьте соединить плоскости земли с помощью переходного отверстия вблизи любого места, где осуществляется переход сигнала.

Компромиссом в таком стеке является снижение уровня экранирования сигналов на внешнем слое. Сигналы на каждой стороне платы экранированы друг от друга, но не от внешних источников излучения. Еще одним преимуществом такого стека служит возможность прокладки трассы непосредственно к компонентам, не разрезая плоскость земли. В целом преимущества этого и предыдущего вариантов стека идеально проявляются в высокоскоростных конструкциях с маршрутизацией по обеим поверхностям в сравнении со стандартным стеком SIG/PWR/GND/SIG.

Почему эти стеки лучше подходят для несимметричных высокоскоростных сигналов

Стандартный стек SIG/PWR/GND/SIG для четырехслойной платы вполне подходит для работы на высоких скоростях, но надежно передавать цифровые сигналы средних и высоких скоростей можно только на одной стороне платы. Это связано с наличием пары слоев SIG/GND, которая идеально подходит для цифровых сигналов; именно сигнальный слой, примыкающий к слою земли, должен использоваться для цифровых сигналов по следующим причинам:

• Контролируемый импеданс. Небольшое расстояние между слоями GND и SIG позволяет создавать несимметричные трассы с контролируемым импедансом 50 Ом (или другим), при этом не увеличивая чрезмерно их ширину.
• Экранирование. Стек SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR обеспечивает высокую степень защиты от внутренних шумов и межслойных перекрестных наводок, тогда как инверсный стек отличается высокой степенью защиты от внешних шумов, но при неправильной маршрутизации будет подвержен внутренним перекрестным наводкам.
• Явный обратный путь. Обратный путь с емкостной связью имеет низкий импеданс, поскольку он формируется непосредственно в плоскости земли. Сравните это с парой слоев SIG/PWR, которая создает обратный путь с высоким импедансом или очень большую обратную токовую петлю, порождающую электромагнитные помехи.

Главная причина, по которой следует использовать один из этих альтернативных стеков, указана в последнем пункте, где требуется обеспечить обратный путь. Обратный путь, формируемый в плоскости питания, непредсказуем и может быть очень большим.

Чтобы уменьшить площадь петли и импеданс обратного пути для цифровых сигналов, можно попробовать нанести некоторое количество меди на поверхностном слое рядом с трассами над плоскостью питания. Однако емкостная связь между трассой и сигналом может быть слабой, поэтому нет никакой гарантии существенного снижения электромагнитных помех.

Несмотря на то, что для цифровых сигналов идеальным является только один слой из двух, стандартный стек SIG/PWR/GND/SIG имеет другие достоинства. Используя отдельную плоскость питания, можно пропускать больший ток, чем при использовании медной заливки для маршрутизации питания; это полезно в системе питания, где требуется использовать цифровые схемы управления. Задний слой можно использовать для установки множества других компонентов, например разъемов или пассивных элементов.

Важный принцип проектирования стандартной четырехслойной конструкции, особенно применительно к размещению питания на четырехслойной плате, состоит в следующем: включение отдельного слоя питания не приводит к автоматическому провалу испытаний на электромагнитную совместимость. Однако не следует думать, что цифровые сигналы можно маршрутизировать как вздумается только потому, что они проходят над единой плоскостью питания. Важнее понять, как в плоскости питания проходит обратный путь и как, в конечном счете, происходит замыкание на землю через высокоомный обратный путь.

Какой бы стек четырехслойной печатной платы вы не использовали, удобные инструменты проектирования в CircuitMaker помогут быстро настроить его под свои нужды и создать макет платы. Все пользователи CircuitMaker могут создавать схемы, макеты печатных плат и производственную документацию, необходимые для перехода от идеи к производству. У пользователей также есть доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365, где они могут загружать и хранить проектные данные в облаке, а также легко просматривать проекты в веб-браузере на защищенной платформе.

Начните применять CircuitMaker уже сегодня и следите за новинками CircuitMaker Pro от Altium.