Desvantagens do empilhamento tradicional de quatro camadas de PCB

Se a capacitância entre camadas não for grande o suficiente, o campo elétrico será distribuído por uma área relativamente grande da placa, de modo que a impedância entre camadas será reduzida e a corrente de retorno poderá fluir de volta para a camada superior. Nesse caso, o campo gerado por esse sinal pode interferir no campo do sinal da camada variável próxima. Isso não era o que esperávamos. Infelizmente, em uma placa de 4 camadas de 0,062 polegadas, as camadas estão distantes e a capacitância entre camadas é pequena.
Quando a fiação muda da camada 1 para a camada 4 ou vice-versa, então será levado a este problema mostrado na imagem
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O diagrama mostra que, quando o sinal percorre da camada 1 para a camada 4 (linha vermelha), a corrente de retorno também deve mudar de plano (linha azul). Se a frequência do sinal for alta o suficiente e os planos estiverem próximos, a corrente de retorno pode fluir através da capacitância intercamada existente entre a camada de terra e a camada de potência. No entanto, devido à falta de uma conexão condutiva direta para a corrente de retorno, o caminho de retorno é interrompido, e podemos pensar nessa interrupção como uma impedância entre os planos, como mostrado na figura abaixo.
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Se a capacitância entre camadas não for grande o suficiente, o campo elétrico será distribuído por uma área relativamente grande da placa, de modo que a impedância entre camadas seja reduzida e a corrente de retorno possa fluir de volta para a camada superior. Nesse caso, o campo gerado por esse sinal pode interferir no campo do sinal da camada variável próxima. Isso não é o que esperávamos. Infelizmente, em uma placa de 4 camadas de 0,062 polegadas, as camadas estão distantes (pelo menos 0,020 polegadas) e a capacitância entre camadas é pequena. Como resultado, ocorre a interferência do campo elétrico descrita acima. Isso pode não causar problemas de integridade do sinal, mas certamente criará mais EMI. É por isso que, ao usar a cascata, evitamos a troca de camadas, especialmente para sinais de alta frequência, como clocks.
É prática comum adicionar um capacitor de desacoplamento próximo ao furo de passagem de transição para reduzir a impedância experimentada pela corrente de retorno, como mostrado na figura abaixo. No entanto, esse capacitor de desacoplamento é ineficaz para sinais VHF devido à sua baixa frequência autorressonante. Para sinais CA com frequências superiores a 200-300 MHz, não podemos depender de capacitores de desacoplamento para criar um caminho de retorno de baixa impedância. Portanto, precisamos de um capacitor de desacoplamento (para frequências abaixo de 200-300 MHz) e de um capacitor interno relativamente grande para frequências mais altas.
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Este problema pode ser evitado não alterando a camada do sinal da chave. No entanto, a pequena capacitância entre placas da placa de quatro camadas leva a outro problema sério: a transmissão de energia. Circuitos integrados digitais com clock normalmente requerem grandes correntes de alimentação transitórias. À medida que o tempo de subida/descida da saída do circuito integrado diminui, precisamos fornecer energia a uma taxa maior. Para fornecer uma fonte de carga, geralmente colocamos capacitores de desacoplamento muito próximos de cada circuito integrado lógico. No entanto, há um problema: quando ultrapassamos as frequências de autorressonância, os capacitores de desacoplamento não conseguem armazenar e transferir energia de forma eficiente, pois nessas frequências o capacitor atuará como um indutor.
Como a maioria dos CIs atuais apresenta tempos de subida/descida rápidos (cerca de 500 ps), precisamos de uma estrutura de desacoplamento adicional com uma frequência autorressonante maior do que a do capacitor de desacoplamento. A capacitância intercamada de uma placa de circuito pode ser uma estrutura de desacoplamento eficaz, desde que as camadas estejam suficientemente próximas umas das outras para fornecer capacitância suficiente. Portanto, além dos capacitores de desacoplamento comumente utilizados, preferimos usar camadas de alimentação e camadas de terra próximas para fornecer alimentação transitória aos CIs digitais.
Observe que, devido ao processo comum de fabricação de placas de circuito, geralmente não temos isoladores finos entre a segunda e a terceira camadas da placa de quatro camadas. Uma placa de quatro camadas com isoladores finos entre a segunda e a terceira camadas pode custar muito mais do que uma placa convencional de quatro camadas.