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4层PCB设计方案

PCB从2层板升级到4层板的新设计师可能已经准备好开始使用电源和接地层，并且大多数制造商都会提供标准叠层来帮助您构建设计。您经常会看到推荐的基本叠层是SIG/GND/PWR/SIG类型的叠层，其中内部层是平面或大多边形。对于许多类型的设计，只要不犯一些简单的布局和布线错误就可以了。

如果您需要执行更高级的操作，例如在电路板两侧放置和布线高速器件，则需要使用替代叠层。导致基本4层堆叠的典型布线错误涉及在表层之间布线高速信号而没有提供清晰的返回路径，从而导致电路板产生大量辐射EMI。相反，您应该使用这些替代的4层叠层之一来创建您的PCB叠层和布局。

方案#1：GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

该叠层在外层使用接地以提供对外部EMI的高屏蔽。它还可以为ESD返回GND并最终返回到设备底盘或接地提供一个很好的简单路径，而无需遵循通过通孔到达内部层的路径。从EMI和ESD的角度来看，这种类型的设计，外层接地，低阻抗直接连接到GND，绝对是最安全的设计。如果需要，它还可以很好地扩展到更高的层数。

这种叠层提供了对外部噪声的高屏蔽，但对抑制不同层上高速信号之间的内部噪声（串扰）几乎没有作用。

这种叠层的潜在问题是不同层上的信号之间的串扰。通常情况下，电路板中的粗芯约为40密耳左右，但这不一定足以保证走线不会收到串扰，尤其是在高速情况下。防止电感串扰的最佳方法是在不同层上使用正交布线。此外，请勿将其用于过高速度的信号或高频，否则您可能会看到信号层之间的电容串扰（在高功率GHz频率下更是如此）。

要消除串扰问题，请考虑如下所示反转此叠层。

方案#2：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

对我来说，这种叠层更可取，特别是对于任何需要在电路板的两个表面层之间传输高速信号的电路板。这个叠加只是前一个叠加的倒置。然而，它的功能是不同的，它并不一定意味着提供与外部噪声源的高度隔离。相反，它是需要高速组件和电路板两侧布线的系统的更好选择。为50欧姆控制阻抗设计这种4层叠层也很容易。最后，确保在进行信号转换的任何地方将GND平面与附近的过孔连接。

在SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR叠层中，PWR平面中的数字返回电流可能会沿着一个非常大的回路返回接地。一种路径是通过最近的去电容，但这并不能消除低频EMI。

这种叠层的折衷是对外层信号的屏蔽较低。电路板每一侧的信号相互屏蔽，但不受外部辐射源的影响。这种叠层还有另一个优势，即您可以直接布线到组件中，而无需切割地平面。总体而言，与标准SIG/PWR/GND/SIG叠层相比，此叠层和之前的叠层的这些优势非常适合在两个表面上布线的高速设计。

为什么这些堆叠更适合单端高速信号

4层板的标准SIG/PWR/GND/SIG叠层仍然适用于高速，但您只能在板的一侧可靠地支持中到高速数字。这是由于SIG/GND层对非常适合数字信号；与GND层相邻的信号层是应该用于数字的层，原因如下：

受控阻抗：GND层和SIG层之间的紧密间距允许您将受控阻抗单端走线定义为50欧姆（或某些其他阻抗），而不会使走线过宽。

屏蔽：SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR叠层对内部噪声和层间串扰的屏蔽能力最高，而反向叠层对外部噪声的屏蔽能力最高，但如果布线不正确，则会产生内部串扰.

清晰的返回路径：电容耦合返回路径具有低阻抗，因为它直接在接地层中被激发。将此与SIG/PWR层对形成对比，后者呈现高阻抗返回路径或产生EMI的非常大的返回电流环路。

您将看到使用这些替代堆栈之一的最大原因是此列表中的最后一点，需要提供返回路径。电源平面中感应的返回路径是不可预测的，并且可能非常大。

在SIG/PWR/GND/SIG叠层中，PWR平面中的数字返回电流可能会沿着非常大的回路返回接地。一种路径是通过最近的去电容，但这并不能消除低频EMI。

为了尝试减少数字信号返回路径的环路面积和阻抗，一个创可贴可能是在电源平面上方的走线周围的表层上放置一些覆铜。但是，走线和信号之间的电容耦合可能很弱，并且不能保证大幅降低EMI。

尽管您只有一个理想的数字信号层而不是两层，但标准的SIG/PWR/GND/SIG叠层还有其他优点。使用专用电源平面，您仍然可以路由比用于路由电源的覆铜更高的电流；这在需要一些数字控制电路的电力系统中很有用。背层可用于固定各种其他组件，如连接器或无源器件。

标准4层PCB设计方案的重要要点，尤其是在4层电路板中放置电源时，是这样的：包括专用电源层不会导致您的设计自动通过EMC测试。但是，不要仅仅因为您在统一的电源平面上布线就假设您可以随意布线您的数字信号。了解返回路径如何在电源平面中传播以及它最终如何通过高阻抗返回路径耦合回地面更为重要。