Nackdelar med traditionell fyrlagersstapling på kretskort

Om mellanskiktskapacitansen inte är tillräckligt stor kommer det elektriska fältet att fördelas över en relativt stor yta av kortet, så att mellanskiktimpedansen minskar och returströmmen kan flyta tillbaka till det översta lagret. I detta fall kan fältet som genereras av denna signal störa fältet för den närliggande föränderliga lagersignalen. Detta är inte alls vad vi hade hoppats på. Tyvärr, på ett 4-lagerskort på 0,062 tum, är lagren långt ifrån varandra och mellanskiktskapacitansen är liten.
När kablarna ändras från lager 1 till lager 4 eller vice versa, kommer detta problem att uppstå, vilket visas på bilden.
nyheter13
Diagrammet visar att när signalen går från lager 1 till lager 4 (röd linje), måste även returströmmen byta plan (blå linje). Om signalfrekvensen är tillräckligt hög och planen är nära varandra, kan returströmmen flyta genom mellanskiktskapacitansen som finns mellan jordlagret och effektlagret. Men på grund av avsaknaden av en direkt ledande förbindelse för returströmmen avbryts returvägen, och vi kan betrakta detta avbrott som en impedans mellan planen som visas på bilden nedan.
nyheter14
Om mellanskiktskapacitansen inte är tillräckligt stor kommer det elektriska fältet att fördelas över en relativt stor yta av kortet, så att mellanskiktsimpedansen minskar och returströmmen kan flyta tillbaka till det översta lagret. I detta fall kan fältet som genereras av denna signal störa fältet för den närliggande signalen med föränderligt lager. Detta är inte alls vad vi hade hoppats på. Tyvärr är lagren långt ifrån varandra (minst 0,020 tum) på ett 4-skiktskort på 0,062 tum, och mellanskiktskapacitansen är liten. Som ett resultat uppstår den elektriska fältstörning som beskrivs ovan. Detta kanske inte orsakar problem med signalintegriteten, men det kommer säkerligen att skapa mer EMI. Det är därför vi, när vi använder kaskad, undviker att byta lager, särskilt för högfrekventa signaler som klockor.
Det är vanligt att installera en avkopplingskondensator nära övergångspasshålet för att minska impedansen som återströmmen upplever, vilket visas på bilden nedan. Denna avkopplingskondensator är dock ineffektiv för VHF-signaler på grund av dess låga självresonansfrekvens. För växelströmssignaler med frekvenser högre än 200-300 MHz kan vi inte förlita oss på att avkopplingskondensatorer skapar en lågimpedansåtergång. Därför behöver vi en avkopplingskondensator (för signaler under 200-300 MHz) och en relativt stor kortmonterad kondensator för högre frekvenser.
nyheter15
Detta problem kan undvikas genom att inte ändra lagret på nyckelsignalen. Den lilla kapacitansen mellan korten hos fyrlagerskortet leder dock till ett annat allvarligt problem: kraftöverföring. Digitala klockkretsar kräver vanligtvis stora transienta strömförsörjningsströmmar. När stig-/falltiden för kretsutgången minskar behöver vi leverera energi med en högre hastighet. För att tillhandahålla en laddningskälla placerar vi vanligtvis avkopplingskondensatorer mycket nära varje logisk krets. Det finns dock ett problem: när vi går bortom de självresonanta frekvenserna kan avkopplingskondensatorer inte lagra och överföra energi effektivt, eftersom kondensatorn vid dessa frekvenser kommer att fungera som en induktor.
Eftersom de flesta integrerade kretsar idag har snabba stig-/falltider (cirka 500 ps) behöver vi en ytterligare avkopplingsstruktur med en högre självresonansfrekvens än avkopplingskondensatorns. Mellanlagerkapacitansen på ett kretskort kan vara en effektiv avkopplingsstruktur, förutsatt att lagren är tillräckligt nära varandra för att ge tillräcklig kapacitans. Därför föredrar vi, utöver de vanligt förekommande avkopplingskondensatorerna, att använda tätt placerade effektlager och jordlager för att ge transient effekt till digitala integrerade kretsar.
Observera att på grund av den vanliga tillverkningsprocessen för kretskort har vi vanligtvis inte tunna isolatorer mellan det andra och tredje lagret på fyrlagerskortet. Ett fyrlagerskort med tunna isolatorer mellan det andra och tredje lagret kan kosta mycket mer än ett konventionellt fyrlagerskort.