Если межслоевая ёмкость недостаточно велика, электрическое поле будет распределено по относительно большой площади платы, что снизит межслоевое сопротивление, и обратный ток сможет вернуться в верхний слой. В этом случае поле, создаваемое этим сигналом, может интерферировать с полем сигнала соседнего изменяющегося слоя. Это совсем не то, на что мы надеялись. К сожалению, на четырёхслойной плате толщиной 0,062 дюйма (1,2 мм) слои расположены далеко друг от друга, а межслоевая ёмкость мала.
Когда проводка меняется со слоя 1 на слой 4 или наоборот, возникает эта проблема, показанная на рисунке.
На диаграмме показано, что при прохождении сигнала от слоя 1 к слою 4 (красная линия) обратный ток также должен сменить плоскость (синяя линия). Если частота сигнала достаточно высока, а плоскости расположены близко друг к другу, обратный ток может протекать через межслойную ёмкость, существующую между слоями заземления и питания. Однако из-за отсутствия прямого проводящего соединения для обратного тока обратный путь прерывается, и это прерывание можно рассматривать как импеданс между плоскостями, показанный на рисунке ниже.
Если межслоевая ёмкость недостаточно велика, электрическое поле будет распределено по относительно большой площади платы, так что межслоевое сопротивление уменьшится, и обратный ток сможет течь обратно в верхний слой. В этом случае поле, создаваемое этим сигналом, может интерферировать с полем сигнала соседнего изменяющегося слоя. Это совсем не то, на что мы надеялись. К сожалению, на 4-слойной плате толщиной 0,062 дюйма слои расположены далеко друг от друга (не менее 0,020 дюйма), а межслоевая ёмкость мала. В результате возникают описанные выше помехи электрического поля. Это может не вызывать проблем с целостностью сигнала, но, безусловно, создаст больше электромагнитных помех. Вот почему при использовании каскада мы избегаем изменения слоёв, особенно для высокочастотных сигналов, таких как тактовые импульсы.
Обычно рядом с переходным отверстием устанавливают развязывающий конденсатор для снижения импеданса, создаваемого обратным током, как показано на рисунке ниже. Однако этот развязывающий конденсатор неэффективен для сигналов VHF из-за низкой собственной резонансной частоты. Для сигналов переменного тока с частотами выше 200–300 МГц развязывающие конденсаторы не могут обеспечить низкоомный обратный путь. Поэтому необходим развязывающий конденсатор (для частот ниже 200–300 МГц) и относительно большой межплатный конденсатор для более высоких частот.
Этой проблемы можно избежать, не меняя слой ключевого сигнала. Однако малая межплатная ёмкость четырёхслойной платы приводит к другой серьёзной проблеме: передаче энергии. Цифровые тактовые микросхемы обычно требуют больших переходных токов питания. По мере уменьшения времени нарастания/спада выходного сигнала микросхемы требуется более высокая скорость подачи энергии. Для обеспечения источника заряда мы обычно размещаем развязывающие конденсаторы очень близко к каждой логической микросхеме. Однако возникает проблема: при выходе за пределы собственных резонансных частот развязывающие конденсаторы не могут эффективно накапливать и передавать энергию, поскольку на этих частотах конденсатор будет действовать как катушка индуктивности.
Поскольку большинство современных микросхем имеют короткое время нарастания/спада (около 500 пс), нам необходима дополнительная развязывающая структура с более высокой собственной резонансной частотой, чем у развязывающего конденсатора. Межслоевая ёмкость печатной платы может служить эффективной развязывающей структурой при условии, что слои расположены достаточно близко друг к другу для обеспечения достаточной ёмкости. Поэтому, помимо обычно используемых развязывающих конденсаторов, мы предпочитаем использовать близко расположенные слои питания и заземления для обеспечения переходного питания цифровых микросхем.
Обратите внимание, что из-за особенностей процесса производства печатных плат тонкие изоляторы между вторым и третьим слоями четырёхслойной платы обычно не используются. Четырёхслойная плата с тонкими изоляторами между вторым и третьим слоями может стоить значительно дороже обычной четырёхслойной платы.