Основные стеки слоев для четырехслойных печатных плат
В данной статье рассматриваются основные варианты стеков слоев для четырехслойных плат.
Термин «стек» слоев печатной платы относится к расположению медных и диэлектрических слоев, которые составляют печатную плату. Выбранный нами стек может сыграть важную роль в производительности платы несколькими различными способами. Например, хороший стек может снизить импеданс земли на плате и ограничить излучение и перекрестные помехи.
В данной статье рассматриваются основные стеки, применяемые в четырехслойных платах.
Стеки со слоями питания и земли
На рисунках 1 и 2 показаны два распространенных стека для четырехслойных плат. У этих двух плат порядок слоев одинаков, но их толщина различна. Это может показаться незначительной модификацией, но мы увидим, что соответствующее расстояние между различными слоями может улучшить производительность платы.
Как вы можете видеть, оба сигнальных слоя находятся рядом со слоями полигонов (либо с полигоном земли, либо с полигоном питания). Следовательно, обратный ток данного сигнала может течь через соседний слой. Это минимизирует индуктивность пути обратного тока с помощью минимизации площади петли, создаваемой путем протекания тока. Обратный путь с низкой индуктивностью улучшает шумовые характеристики и снижает излучение платы (как дифференциальное, так и синфазное излучение).
Как правило, излучение от четырехслойной платы может быть на 20 дБ меньше, чем от той же схемы, реализованной на двухслойной плате. Ключевым фактором здесь является удержание сигналов близко к сплошным полигонам. Следовательно, для дальнейшего улучшения характеристик, связанных с шумом и электромагнитными помехами, мы можем сделать диэлектрик между сигнальным слоем и соседней плоскостью еще тоньше. Этот простой трюк дает нам улучшенный стек, показанный на рисунке 2, где связь между сигнальными слоями и слоями полигонов увеличивается за счет уменьшения связи между полигонами земли и питания. Но это не является серьезным недостатком, потому что, на самом деле, ни один из этих двух стеков не обеспечивает достаточной связи между полигонами. Мы обсудим это более подробно чуть позже. Обратите внимание, что у этих двух стеков общая толщина платы одинакова.
Стеки на рисунках 1 и 2 используются широко, но у них есть два недостатка, оба из которых вытекают из того факта, что полигоны земли и питания не достаточно близки друг к другу, и, следовательно, межслойная емкость между ними не велика.
Недостатки распространенных четырехслойных стеков
Первая проблема со стеками на рисунках 1 и 2 возникает, когда путь прохождения сигнала переходит из слоя 1 на слой 4, или наоборот (как показано на рисунке 3).
На рисунке показано, что при прохождении сигнала от слоя 1 к слою 4 (красная линия) обратный ток также должен поменять полигон (синяя линия). Если частота сигнала достаточно высока и полигоны расположены близко друг к другу, обратный ток может протекать через межслойную емкость, которая есть между полигонами земли и питания. Однако отсутствие прямой проводящей связи для обратного тока создает разрыв в обратном пути, и мы можем представить этот разрыв как сопротивление между плоскостями (рисунок 4).
Если межслойная емкость недостаточно велика, электрические поля будут распространяться на относительно большую площадь платы, чтобы импеданс между полигонами уменьшился, а обратный ток смог течь обратно в верхний полигон. В этом случае поля, созданные этим сигналом, могут создавать помехи для полей соседних сигналов, которые так же переходят между слоями. А это совсем не желательно. К сожалению, на четырехслойной плате размером 0,062 дюйма (1,5748 мм) полигоны расположены далеко друг от друга (по меньшей мере, 0,020 дюйма, или 0,508 мм, как показано на рисунках 1 и 2), и емкость между полигонами мала. Следовательно, у нас появятся упомянутые помехи от электрических полей. Это может не привести к проблемам с целостностью сигналов, но мы, безусловно, создадим больше электромагнитных помех. Вот почему при работе со стеками, показанными на рисунках 1 и 2, нам лучше избегать смены слоев, особенно для высокочастотных сигналов, таких как тактовые сигналы.
Хорошей практикой является добавление развязывающего конденсатора рядом с переходным отверстием, чтобы уменьшить импеданс, который применяется к обратному току (рисунок 5). Однако такие развязывающие конденсаторы не эффективны с очень высокочастотными сигналами из-за низкой собственной резонансной частоты. Для сигналов с частотой выше примерно 200-300 МГц мы не можем полагаться на развязывающий конденсатор при создании обратного пути с низким импедансом. Следовательно, нам нужен как развязывающий конденсатор (для частот ниже 200–300 МГц), так и относительно большая межслойная емкость для более высоких частот.
Обсуждаемую выше проблему можно избежать, не меняя слои при прохождении опасного сигнала. Однако небольшая межслойная емкость четырехслойной платы приводит к еще одной серьезной проблеме: подаче питания. Цифровой тактируемой микросхеме обычно требуются большие переходные токи питания. По мере того как время нарастания/спада выходных сигналов микросхемы уменьшается, мы должны обеспечивать подачу питания с большей скоростью. Чтобы обеспечить источник заряда, мы обычно размещаем блокировочные конденсаторы очень близко к каждой логической микросхеме. Однако здесь есть одна проблема: когда мы выходим за пределы собственной резонансной частоты конденсатора, блокировочный конденсатор уже не может эффективно накапливать и передавать энергию, потому что на этих частотах конденсатор будет действовать как индуктивность.
Поскольку большинство современных микросхем имеют быстрое время нарастания/спада (около 500 пс), нам нужна дополнительная развязывающая структура, которая обладает собственной резонансной частотой, большей, чем у развязывающего конденсатора. Межслойная емкость платы может быть эффективной развязывающей структурой при условии, что слои достаточно близки друг к другу, чтобы обеспечить достаточную емкость. Следовательно, в дополнение к обычно используемым развязывающим конденсаторам, для обеспечения питания для цифровых микросхем во время переходных процессов предпочтительно иметь близко расположенные друг к другу полигоны питания и земли.
Обратите внимание, что диэлектрик между вторым и третьим слоями четырехслойной платы у нас обычно не будет тонким, что обусловлено типовым процессом изготовления платы. Четырехслойная плата с тонким диэлектриком между слоями 2 и 3, вероятно, будет стоить намного дороже, чем обычная четырехслойная плата.
Два улучшенных стека
На рисунках 6 и 7 ниже показаны два улучшенных стека для четырехслойных плат.
Как и в случае стеков на рисунках 1 и 2, сигнальные дорожки должны быть смежными с полигонами, а индуктивность пути обратного тока должна быть минимизирована. В этом отношении стек на рисунке 6 может быть не идеальным, потому что установленные компоненты будут препятствовать тому, чтобы у нас был сплошной земляной полигон на слое 1. Предполагая, что мы можем провести большую часть сигнальных дорожек под сплошными участками полигонов земли, мы видим, что диэлектрик между сигнальными слоями и полигонами будет тонким, что очень хорошо.
Стеки на рисунках 6 и 7 имеют две плоскости земли. Это позволяет нам иметь низкоимпедансную структуру земли и уменьшить синфазное излучение. Кроме того, на рисунке 6 плоскости земли покрывают сигнальные слои. Выступая в роли экранов, полигоны могут задержать излучение высокоскоростных сигналов. Мы можем даже разместить «сшивающие» переходные отверстия по периметру платы, чтобы соединить два слоя с полигонами земли вместе. Это создаст клетку Фарадея, которая в дальнейшем будет удерживать излучение. Слои с полигонами в стеке на рисунке 7 не могут действовать как экраны.
В этих двух стеках у нас нет слоя питания. Мы можем использовать либо заливки (небольшие полигоны) питания, либо многоточечную (сетчатую) разводку питания. Если мы сможем на одном слое (слой 1) развести сигнальные дорожки и питания и установить компоненты, то можно использовать стек на рисунке 7 (этот стек имеет сплошные полигоны земли). Однако, если нам не хватает места для всего этого, мы можем использовать стек на рисунке 6.
Хотя эти два стека не имеют сплошных полигонов питания, заливки (полигоны) будут находиться в непосредственной близости от слоев земли. В результате заливки (полигоны) для питания и слои земли создадут относительно большую емкость, которая может действовать как развязывающая структура на высоких частотах. Рик Хартли, уважаемый разработчик печатных плат, предоставил данные измерений, подтверждающие, что развязка между заливками питания и плоскостями земли на рисунках 6 и 7 превосходит развязку, обеспечиваемую плоскостями земли и питания обычной четырехслойной платы (рисунки 1 и 2). Используя развязывающую структуру улучшенных слоев вместе с обычными развязывающими конденсаторами, мы можем проще обеспечить питание при переходных процессах для высокоскоростных цифровых микросхем.
Наконец, с улучшенными стеками на рисунках 6 и 7 пути прохождения высокоскоростных сигналов могут менять слои, потому что все сигналы привязаны к слоям земли (в обычных стеках сигналы были привязаны либо к слою земли, либо к слою питания). В результате, чтобы обеспечить низкоимпедансный путь для обратного тока, мы можем рядом с сигнальным переходом между слоями поместить переход между полигонами земли.
Заключение
В данной статье мы рассмотрели несколько различных стеков слоев для четырехслойных плат. Мы увидели, что выбор стека может несколькими различными способами играть важную роль в производительности платы. Подходящий стек может уменьшить импеданс структуры земли платы и ограничить излучение и перекрестные помехи. Кроме того, стек платы может повлиять на подачу питания во время переходных процессов и на нашу стратегию разводки сигналов при смене слоев.