Wady tradycyjnego czterowarstwowego układania PCB

Jeśli pojemność międzywarstwowa nie jest wystarczająco duża, pole elektryczne zostanie rozłożone na stosunkowo dużej powierzchni płytki, dzięki czemu impedancja międzywarstwowa zostanie zmniejszona, a prąd powrotny będzie mógł płynąć z powrotem do górnej warstwy.W takim przypadku pole generowane przez ten sygnał może zakłócać pole pobliskiego sygnału zmieniającej się warstwy.Zupełnie nie na to liczyliśmy.Niestety na płycie 4-warstwowej o grubości 0,062 cala warstwy są daleko od siebie i pojemność międzywarstwowa jest mała
Kiedy okablowanie zostanie zmienione z warstwy 1 na warstwę 4 lub odwrotnie, problem zostanie pokazany na rysunku
aktualności13
Wykres pokazuje, że gdy sygnał przechodzi z warstwy 1 do warstwy 4 (linia czerwona), prąd powrotny również musi zmienić płaszczyznę (linia niebieska).Jeśli częstotliwość sygnału jest wystarczająco wysoka, a płaszczyzny są blisko siebie, prąd powrotny może przepływać przez pojemność międzywarstwową istniejącą pomiędzy warstwą uziemiającą a warstwą mocy.Jednakże, ze względu na brak bezpośredniego połączenia przewodzącego dla prądu powrotnego, ścieżka powrotna jest przerwana i możemy myśleć o tym przerwaniu jako o impedancji pomiędzy płaszczyznami pokazanymi jak na poniższym rysunku
aktualności14
Jeśli pojemność międzywarstwowa nie jest wystarczająco duża, pole elektryczne zostanie rozłożone na stosunkowo dużej powierzchni płytki, dzięki czemu impedancja międzywarstwowa zostanie zmniejszona, a prąd powrotny będzie mógł płynąć z powrotem do górnej warstwy.W takim przypadku pole generowane przez ten sygnał może zakłócać pole pobliskiego sygnału zmieniającej się warstwy.Zupełnie nie na to liczyliśmy.Niestety na płycie 4-warstwowej o grubości 0,062 cala warstwy są daleko od siebie (co najmniej 0,020 cala), a pojemność międzywarstwowa jest niewielka.W efekcie dochodzi do opisanej powyżej interferencji pola elektrycznego.Być może nie spowoduje to problemów z integralnością sygnału, ale z pewnością spowoduje większe zakłócenia elektromagnetyczne.Dlatego stosując kaskadę unikamy zmiany warstw, szczególnie w przypadku sygnałów o wysokiej częstotliwości, takich jak zegary.
Powszechną praktyką jest dodanie kondensatora odsprzęgającego w pobliżu otworu przejścia przejściowego, aby zmniejszyć impedancję odczuwaną przez prąd powrotny, jak pokazano na poniższym rysunku.Jednakże ten kondensator odsprzęgający jest nieskuteczny dla sygnałów VHF ze względu na jego niską częstotliwość rezonansu własnego.W przypadku sygnałów prądu przemiennego o częstotliwościach wyższych niż 200–300 MHz nie można polegać na kondensatorach odsprzęgających w celu utworzenia ścieżki powrotnej o niskiej impedancji.Dlatego potrzebujemy kondensatora odsprzęgającego (dla poniżej 200-300 MHz) i stosunkowo dużego kondensatora międzypłytowego dla wyższych częstotliwości.
aktualności15
Problemu tego można uniknąć nie zmieniając warstwy sygnału kluczowego.Jednak mała pojemność międzypłytowa czterowarstwowej płytki prowadzi do innego poważnego problemu: przenoszenia mocy.Cyfrowe układy scalone zegara zazwyczaj wymagają dużych przejściowych prądów zasilania.Ponieważ czas narastania/opadania wyjścia układu scalonego maleje, musimy dostarczać energię z większą szybkością.Aby zapewnić źródło ładowania, zwykle umieszczamy kondensatory odsprzęgające bardzo blisko każdego logicznego układu scalonego.Pojawia się jednak problem: kiedy wyjdziemy poza częstotliwości rezonansu własnego, kondensatory odsprzęgające nie będą w stanie efektywnie magazynować i przekazywać energii, ponieważ przy tych częstotliwościach kondensator będzie zachowywał się jak cewka indukcyjna.
Ponieważ większość współczesnych układów scalonych ma krótkie czasy narastania/opadania (około 500 ps), potrzebujemy dodatkowej struktury odsprzęgającej o wyższej częstotliwości rezonansu własnego niż kondensator odsprzęgający.Pojemność międzywarstwowa płytki drukowanej może stanowić skuteczną strukturę odsprzęgającą, pod warunkiem, że warstwy są wystarczająco blisko siebie, aby zapewnić wystarczającą pojemność.Dlatego oprócz powszechnie stosowanych kondensatorów odsprzęgających wolimy stosować blisko rozmieszczone warstwy mocy i warstwy masy, aby zapewnić przejściową moc do cyfrowych układów scalonych.
Należy pamiętać, że ze względu na powszechny proces produkcji płytek drukowanych zwykle nie stosujemy cienkich izolatorów pomiędzy drugą i trzecią warstwą płytki czterowarstwowej.Płyta czterowarstwowa z cienkimi izolatorami pomiędzy drugą i trzecią warstwą może kosztować znacznie więcej niż konwencjonalna płyta czterowarstwowa.