隨著高速電路的不斷涌現(xiàn)，PCB板的復(fù)雜度也越來越高，為了避免電氣因素的干擾，信號層和電源層必須分離，所以就牽涉到多層PCB的設(shè)計(jì)。在多層板的設(shè)計(jì)
中，對于疊層的安排顯得尤為重要。一個好的疊層設(shè)計(jì)方案將會大大減小EMI及串?dāng)_的影響，在下面的討論中，我們將具體分析疊層設(shè)計(jì)如何影響高速電路的電氣
性能。
一．多層板和鋪銅層(Plane)
多層板在設(shè)計(jì)中和普通的PCB板相比，除了添加了必要的信號走線層之外，最重要的是安排了獨(dú)立的電源和地層(鋪銅層)。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，使用電源和地層來代替以前的電源和地總線的優(yōu)點(diǎn)主要在于：
- 為數(shù)字信號的變換提供一個穩(wěn)定的參考電壓。
- 均勻地將電源同時加在每個邏輯器件上
- 有效地抑制信號之間的串?dāng)_
原因在于，使用大面積鋪銅作為電源和地層大大減小了電源和地的電阻，使得電源層上的電壓很均勻平穩(wěn)，而且可以保證每根信號線都有很近的地平面相對應(yīng)，這同
時減小了信號線的特征阻抗，對有效地較少串?dāng)_也非常有利。所以，對于某些高端的高速電路設(shè)計(jì)，已經(jīng)明確規(guī)定一定要使用6層(或以上的)的疊層方案，如
Intel對PC133內(nèi)存模塊PCB板的要求。這主要就是考慮到多層板在電氣特性，以及對電磁輻射的抑制，甚至在抵抗物理機(jī)械損傷的能力上都明顯優(yōu)于低
層數(shù)的PCB板。
如果從成本的因素考慮，也并不是層數(shù)越多價格越貴，因?yàn)镻CB板的成本除了和層數(shù)有關(guān)外，還和單位面積走線的密度有關(guān)，在降低了層數(shù)后，走線的空間必然減
小，從而增大了走線的密度，甚至不得不通過減小線寬，縮短間距來達(dá)到設(shè)計(jì)要求，往往這些造成的成本增加反而有可能會超過減少疊層而降低的成本，再加上電氣
性能的變差，這種做法經(jīng)常會適得其反。所以對于設(shè)計(jì)者來說，一定要做到全方面的考慮。
二．高頻下地平面層對信號的影響
如果我們將PCB的微帶布線作為一個傳輸線模型來看，那么地平面層也可以看成是傳輸線的一部分，這里可以用“回路”的概念來代替“地”的概念，地鋪銅層其
實(shí)是信號線的回流通路。電源層和地層通過大量的去耦電容相連，在交流情況下，電源層和地層可以看成是等價的。在低頻和高頻下電流回路有什么不同呢?從下圖
中我們可以看出來，在低頻下，電流是沿電阻最小的路徑流回，而在高頻情況下，電流是沿著電感最小的回路流回，也是阻抗最小的路徑，表現(xiàn)為回路電流集中分布
在信號走線的正下方。
高頻下，當(dāng)一條導(dǎo)線直接在接地層上布置時，即使存在更短的回路，回路電流也要直接從始發(fā)信號路徑下的布線層流回信號源，這條路徑具有最小阻抗，即電感最小和電容最大。這種靠大電容耦合抑制電場，靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。
下面這個公式反映了信號線下方回流路徑上的電流密度隨各種條件而變化的規(guī)律：
從公式中可以得出結(jié)論：在電流回路上，離信號線越近的位置，電流的密度越大，這種情況下整個回路的面積最小，因而電感也最小。同時可以想象，信號線和回路
如果離的很近，兩者電流大小近似相等，方向相反，在外部空間產(chǎn)生的磁場可以相互抵消，因此對外界的EMI也很小。所以，在疊層設(shè)置時最好保證每個信號走線
層都有很近的地平面層相對應(yīng)。
現(xiàn)在考慮地平面上的串?dāng)_問題，在高頻數(shù)字電路中，造成串?dāng)_的主要原因是電感耦合的結(jié)果。從上面回路電流密度分布的公式看出，當(dāng)幾個信號線離的比較近的時
候，相互的回路電流會產(chǎn)生交疊，這時候兩者之間的磁場必然相互干擾，從而產(chǎn)生串?dāng)_噪聲。串?dāng)_電壓的大小和信號線之間的距離D，地平面的高度H以及系數(shù)K有
關(guān)，見下圖：
式中K與信號的上升時間以及相互干擾的信號線的長度有關(guān)。對于疊層設(shè)置來說，無疑拉近信號層和地層的距離將會有效的減少地平面的串?dāng)_。
在實(shí)際PCB布線時經(jīng)常會遇到這樣一個問題，就是在對電源和地層進(jìn)行鋪銅時，如果不注意，可能會在鋪銅區(qū)里出現(xiàn)一個隔離的槽，這一情況往往是由于過孔過
密，或者過孔的隔離區(qū)設(shè)計(jì)不合理造成的(如圖)。后果是減慢了上升時間，增加了回路面積，從而導(dǎo)致電感的增大，容易產(chǎn)生不必要的串?dāng)_和EMI，我們要避免
發(fā)生這種現(xiàn)象。
因?yàn)榛芈冯娏骼@道而增大的電感大致可以表示為：
L=5Dln(D/W)
D代表信號線到斷槽最近端的垂直距離，W是指走線的線寬。
三．幾種典型的疊層方案及分析
了解了上述基本知識，我們可以得出相應(yīng)的疊層設(shè)計(jì)方案?？傮w來說，盡量遵循以下幾方面的規(guī)則：
- 鋪銅層最好要成對設(shè)置，比如六層板的2，5或者3，4層要一起鋪銅，這是考慮到工藝上平衡結(jié)構(gòu)的要求，因?yàn)椴黄胶獾匿併~層可能會導(dǎo)致PCB板的翹曲變形。
- 信號層和鋪銅層要間隔放置，最好每個信號層都能和至少和一個鋪銅層緊鄰。
- 縮短電源和地層的距離，有利于電源的穩(wěn)定和減少EMI。
- 在很高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，但建議不要多加電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。
但實(shí)際情況是，上述談到的各種因素不可能同時滿足，這時我們就要考慮一種相對來說比較合理的解決辦法。下面就分析幾種典型的疊層設(shè)計(jì)方案：
首先分析四層板的疊層設(shè)計(jì)。一般來說，對于較復(fù)雜的高速電路，最好不采用4層板，因?yàn)樗嬖谌舾刹环€(wěn)定因素，無論從物理上還是電氣特性上。如果一定要進(jìn)行四層板設(shè)計(jì)，則可以考慮設(shè)置為：電源-信號-信號-地，還有一種更好的方案是：外面兩層均走地層，內(nèi)部
兩層走電源和信號線，這種方案是四層板設(shè)計(jì)的最佳疊層方案，對EMI有極好的抑制作用，同時對降低信號線阻抗也非常有利，但這樣布線空間較小，對于布線密度較大的板子顯得比較困難。
下面重點(diǎn)討論一下六層板的疊層設(shè)計(jì)，現(xiàn)在很多電路板都采用6層板技術(shù)，比如內(nèi)存模塊PCB板的設(shè)計(jì)，大部份都采用6層板(高容量的內(nèi)存模塊可能采用10層板)。最常規(guī)的6層板疊層是這樣安排的：信號-地-信號-信號-電源-信號，從阻抗控制的觀點(diǎn)來講，這樣安排是合理的，但由于電源離地平面較遠(yuǎn)，對較小共模EMI的輻射效果不是很好。如果改將鋪銅區(qū)放在3和4層，則又會造成較差的信號阻抗控制及較強(qiáng)的差模EMI等不良問題。還有一種添加地平面層的方案，布局為：信號-地-信號-電源-地-信號，
這樣無論從阻抗控制還是從降低EMI的角度來說，都能實(shí)現(xiàn)高速信號完整性設(shè)計(jì)所需要的環(huán)境。但不足之處是層的堆疊不平衡，第三層是信號走線層，但對應(yīng)的第
四層卻是大面積鋪銅的電源層，這在PCB工藝制造上可能會遇到一點(diǎn)問題，在設(shè)計(jì)的時候可以將第三層所有空白區(qū)域鋪銅來達(dá)到近似平衡結(jié)構(gòu)的效果。
更復(fù)雜的電路實(shí)現(xiàn)需要使用十層板的技術(shù)，十層的PCB板絕緣介質(zhì)層很薄，信號層可以離地平面很近，這樣就非常好的控制了層間的阻抗變化，一般只要不出現(xiàn)嚴(yán)
重的疊層設(shè)計(jì)錯誤，設(shè)計(jì)者都能較容易地完成高質(zhì)量的高速電路板設(shè)計(jì)。如果走線非常復(fù)雜，需要更多的走線層，我們可以將疊層設(shè)置為：信號-信號-地-信號-信號-信號-信號-電源-信號-信號，當(dāng)然這種情況不是我們最理想的，我們要求信號走線能在少量的層布完，而是用多余的地層來隔離其它信號層，所以更通常的疊層方案是：信號-地-信號-信號-電源-地-信號-信號-地-信號，
可以看到，這里使用了三層地平面層，而只用了一層電源(我們只考慮單電源的情況)。這是因?yàn)椋m然電源層在阻抗控制上的效果和地平面層一樣，但電源層上的
電壓受干擾較大，存在較多的高階諧波，對外界的EMI也強(qiáng)，所以和信號走線層一樣，是最好被地平面屏蔽起來的。同時，如果使用多余的電源層來隔離，回路電
流將不得不通過去耦電容來實(shí)現(xiàn)從地平面到電源平面的轉(zhuǎn)換，這樣，在去耦電容上過多的壓降會產(chǎn)生不必要的噪聲影響。
四．總結(jié)
上面僅僅討論了在PCB疊層設(shè)計(jì)時會遇到的部分問題，具體應(yīng)視實(shí)際情況而定，在能力范圍內(nèi)，經(jīng)常還要兼顧信號質(zhì)量與成本。在依照上面所闡述的理論原則來進(jìn)
行疊層方案的設(shè)計(jì)的同時，我們還需要考慮一些其它的布線原則來配合，比如每一層走線的方向，信號層電源線寬的定義，以及去耦電容的擺放等等。只有綜合考慮
各方面的因素，才能最終設(shè)計(jì)出一塊性能較好的電路板。
