50 オームのインピーダンスを備えた 2 つの代替 4 層 PCB スタック

2 層基板から 4 層基板にアップグレードする新しい設計者は、電源プレーンとグランドプレーンの使用を開始する準備ができている可能性があり、ほとんどのメーカーは、設計の構築に役立つ標準スタックを提供します。推奨される基本レイヤーは、SIG/GND/PWR/SIG タイプのレイヤーで、内側のレイヤーが平面または大きなポリゴンであることがよくあります。いくつかの単純なレイアウトとルーティングの間違いを犯さない限り、多くのタイプのデザインで.

回路基板の両面に高速コンポーネントを配置して配線するなど、より高度な操作を実行する必要がある場合は、交互レイヤーを使用する必要があります。基本的な 4 層スタッキングにつながる典型的な配線エラーには、明確なリターンパスを提供せずに表面間に高速信号を配線することが含まれ、その結果、回路基板から大量の EMI が放射されます。代わりに、これらの代替 4 レイヤーのいずれかを使用して PCB スタックとレイアウトを作成する必要があります。

スタック # 1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

スタックの外層は接地されており、外部 EMI に対して高度なシールドを提供します。また、ESD が GND に戻り、最終的に機器のシャーシまたは接地に戻るための優れた単純な経路を提供することもできます。これは、スルーホールを介して内部層への経路をたどることはありません。 EMI と ESD の観点から見ると、外層が接地され、低インピーダンスが GND に直接接続されているこのタイプの設計は、間違いなく最も安全な設計です。必要に応じて、より高いレベルに拡張することもできます。

このスタックは、外部ノイズの高いシールドを提供しますが、異なるレイヤーの高速信号間の内部ノイズ (クロストーク) の抑制にはほとんど効果がありません。

このスタックの潜在的な問題は、異なるレイヤーの信号間のクロストークです。通常、回路基板の厚いコアは約 40 ミルですが、これは、特に高速で配線がクロストークを受けないようにするのに必ずしも十分ではありません。インダクタンスのクロストークを防止する最良の方法は、異なる層で直交配線を使用することです。さらに、高速信号または高周波数には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 (特に高電力 GHz 周波数で)。

circuit board

クロストークの問題を解消するには、以下に示すように、このスタックを逆にすることを検討してください。

スタック # 2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

私にとって、このスタックは、特に回路基板の 2 つの表面層の間で高速信号を伝送する必要がある回路基板に適しています。このスタックは、前のスタックの単なる反転です。ただし、その機能は異なります。これは、外部ノイズ源からの高度な分離を提供することを必ずしも意味するものではありません。それどころか、回路基板の両側に高速コンポーネントと配線を必要とするシステムには、より良い選択です。この 4 層スタックを 50 オームの制御インピーダンス用に設計することも簡単です。最後に、信号変換が行われる場所で GND プレーンが隣接するビアに接続されていることを確認してください。 PCB 設計と PCB 処理メーカーの説明: 50 オームのインピーダンスを持つ 2 つの代替 4 層 PCB スタック。

SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR スタックでは、PWR プレーンのデジタルリターン電流が非常に大きなループに沿ってグランドに戻る場合があります。 1 つのパスは最も近いデキャパシタンスを通過しますが、これは低周波 EMI を排除しません。

このスタックのトレードオフは、外部信号のシールドが低いことです。回路基板の両側の信号は相互にシールドされていますが、外部放射源の影響を受けません。このスタックのもう 1 つの利点は、グランドプレーンを切断せずにコンポーネントに直接配線できることです。一般に、標準の SIG/PWR/GND/SIG スタックと比較して、このスタックと以前のスタックのこれらの利点は、2 面のケーブル配線の高速設計に非常に適しています。

これらのスタックがシングルエンドの高速信号により適している理由

4 層ボードの標準 SIG/PWR/GND/SIG ラミネーションは引き続き高速に適用できますが、ボードの片側でのみ中速から高速の数値を確実にサポートできます。これは、SIG/GND 層がデジタル信号に非常に適しているためです。 GND 層に隣接する信号層は、次の理由から、デジタルに使用する必要がある層です。

制御されたインピーダンス: GND 層と SIG 層の間の間隔が狭いため、配線を広くしすぎずに、制御されたインピーダンスのシングルエンド配線を 50 オーム (またはその他のインピーダンス) として定義できます。

シールド: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR スタックは、内部ノイズと層間クロストークに対するシールド容量が最も高く、リバーススタックは外部ノイズに対するシールド容量が最も高くなります。ただし、配線を間違えると内部クロストークが発生します

クリアなリターンパス: 容量結合のリターンパスは、グランド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を示す SIG/PWR レイヤペアと比較されます。

これらの代替スタック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であり、リターンパスを提供する必要があることがわかります。電源プレーンで検出されるリターンパスは予測不能であり、非常に大きくなる可能性があります。

SIG/PWR/GND/SIG スタックでは、PWR プレーンのデジタルリターン電流が非常に大きなループに沿ってグランドに戻る場合があります。 1 つのパスは最も近いデキャパシタンスを通過しますが、これは低周波 EMI を排除しません。

デジタル信号のリターンパスのループエリアとインピーダンスを減らすために、バンドエイドを電源プレーン上の配線の周囲の表面層に配置することができます。ただし、ケーブルと信号の間の容量結合は弱い可能性があり、EMI の大幅な削減を保証することはできません。

理想的なデジタル信号層は 2 つではなく 1 つしかありませんが、標準の SIG/PWR/GND/SIG スタックには他の利点があります。専用の電源プレーンを使用すると、電源の配線に使用される銅被覆よりも高い電流を配線できます。これは、いくつかのデジタル制御回路を必要とする電源システムで非常に役立ちます。背面層は、コネクタや受動部品など、さまざまな他の部品を固定するために使用できます。

特に 4 層回路基板に電源を配置する場合、標準の 4 層スタック設計の重要なポイントは次のとおりです。ただし、統一された電源プレーンに配線しているからといって、デジタル信号を自由に配線できるとは限りません。リターンパスが電源プレーンでどのように伝播するか、および高インピーダンスのリターンパスを介して最終的にグランドに結合されるかを理解することがより重要です。

構築する 4 層 PCB スタックのタイプに関係なく、使用する設計ツールを使用すると、スタックをすばやくカスタマイズして PCB レイアウトを作成できます。どちらも、設計を構想から生産に移行するために必要な回路図、PCB レイアウト、および製造ドキュメントを作成できます。