隨著(zhù)高速電路的不斷涌現，PCB板的復雜度也越來(lái)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的設計。在多層板的設計中，對于疊層的安排顯得尤為重要。一個(gè)好的疊層設計方案將會(huì )大大減小EMI及串擾的影響，在下面的討論中，我們將具體分析疊層設計如何影響高速電路的電氣性能。
一．多層板和鋪銅層(Plane)
多層板在設計中和普通的PCB板相比，除了添加了必要的信號走線(xiàn)層之外，最重要的是安排了獨立的電源和地層(鋪銅層)。在高速數字電路系統中，使用電源和地層來(lái)代替以前的電源和地總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)主要在于：
- 為數字信號的變換提供一個(gè)穩定的參考電壓。
- 均勻地將電源同時(shí)加在每個(gè)邏輯器件上
- 有效地抑制信號之間的串擾
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，而且可以保證每根信號線(xiàn)都有很近的地平面相對應，這同時(shí)減小了信號線(xiàn)的特征阻抗，對有效地較少串擾也非常有利。所以，對于某些高端的高速電路設計，已經(jīng)明確規定一定要使用6層(或以上的)的疊層方案，如Intel對PC133內存模塊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，甚至在抵抗物理機械損傷的能力上都明顯優(yōu)于低層數的PCB板。
如果從成本的因素考慮，也并不是層數越多價(jià)格越貴，因為PCB板的成本除了和層數有關(guān)外，還和單位面積走線(xiàn)的密度有關(guān)，在降低了層數后，走線(xiàn)的空間必然減小，從而增大了走線(xiàn)的密度，甚至不得不通過(guò)減小線(xiàn)寬，縮短間距來(lái)達到設計要求，往往這些造成的成本增加反而有可能會(huì )超過(guò)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(huì )適得其反。所以對于設計者來(lái)說(shuō)，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(xiàn)作為一個(gè)傳輸線(xiàn)模型來(lái)看，那么地平面層也可以看成是傳輸線(xiàn)的一部分，這里可以用“回路”的概念來(lái)代替“地”的概念，地鋪銅層其實(shí)是信號線(xiàn)的回流通路。電源層和地層通過(guò)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(jià)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(lái)，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(zhù)電感最小的回路流回，也是阻抗最小的路徑，表現為回路電流集中分布在信號走線(xiàn)的正下方。
高頻下，當一條導線(xiàn)直接在接地層上布置時(shí)，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(xiàn)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(chǎng)，靠小電感耦合抑制磁場(chǎng)來(lái)維持低電抗的方法稱(chēng)為自屏蔽。
下面這個(gè)公式反映了信號線(xiàn)下方回流路徑上的電流密度隨各種條件而變化的規律：
從公式中可以得出結論：在電流回路上，離信號線(xiàn)越近的位置，電流的密度越大，這種情況下整個(gè)回路的面積最小，因而電感也最小。同時(shí)可以想象，信號線(xiàn)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(chǎng)可以相互抵消，因此對外界的EMI也很小。所以，在疊層設置時(shí)最好保證每個(gè)信號走線(xiàn)層都有很近的地平面層相對應。
現在考慮地平面上的串擾問(wèn)題，在高頻數字電路中，造成串擾的主要原因是電感耦合的結果。從上面回路電流密度分布的公式看出，當幾個(gè)信號線(xiàn)離的比較近的時(shí)候，相互的回路電流會(huì )產(chǎn)生交疊，這時(shí)候兩者之間的磁場(chǎng)必然相互干擾，從而產(chǎn)生串擾噪聲。串擾電壓的大小和信號線(xiàn)之間的距離D，地平面的高度H以及系數K有關(guān)，見(jiàn)下圖：
式中K與信號的上升時(shí)間以及相互干擾的信號線(xiàn)的長(cháng)度有關(guān)。對于疊層設置來(lái)說(shuō)，無(wú)疑拉近信號層和地層的距離將會(huì )有效的減少地平面的串擾。
在實(shí)際PCB布線(xiàn)時(shí)經(jīng)常會(huì )遇到這樣一個(gè)問(wèn)題，就是在對電源和地層進(jìn)行鋪銅時(shí)，如果不注意，可能會(huì )在鋪銅區里出現一個(gè)隔離的槽，這一情況往往是由于過(guò)孔過(guò)密，或者過(guò)孔的隔離區設計不合理造成的(如圖)。后果是減慢了上升時(shí)間，增加了回路面積，從而導致電感的增大，容易產(chǎn)生不必要的串擾和EMI，我們要避免發(fā)生這種現象。
因為回路電流繞道而增大的電感大致可以表示為：
L=5Dln(D/W)
D代表信號線(xiàn)到斷槽最近端的垂直距離，W是指走線(xiàn)的線(xiàn)寬。
三．幾種典型的疊層方案及分析
了解了上述基本知識，我們可以得出相應的疊層設計方案?？傮w來(lái)說(shuō)，盡量遵循以下幾方面的規則：
- 鋪銅層最好要成對設置，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構的要求，因為不平衡的鋪銅層可能會(huì )導致PCB板的翹曲變形。
- 信號層和鋪銅層要間隔放置，最好每個(gè)信號層都能和至少和一個(gè)鋪銅層緊鄰。
- 縮短電源和地層的距離，有利于電源的穩定和減少EMI。
- 在很高速的情況下，可以加入多余的地層來(lái)隔離信號層，但建議不要多加電源層來(lái)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(shí)滿(mǎn)足，這時(shí)我們就要考慮一種相對來(lái)說(shuō)比較合理的解決辦法。下面就分析幾種典型的疊層設計方案：
首先分析四層板的疊層設計。一般來(lái)說(shuō)，對于較復雜的高速電路，最好不采用4層板，因為它存在若干不穩定因素，無(wú)論從物理上還是電氣特性上。如果一定要進(jìn)行四層板設計，則可以考慮設置為：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，內部
兩層走電源和信號線(xiàn)，這種方案是四層板設計的最佳疊層方案，對EMI有極好的抑制作用，同時(shí)對降低信號線(xiàn)阻抗也非常有利，但這樣布線(xiàn)空間較小，對于布線(xiàn)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計，現在很多電路板都采用6層板技術(shù)，比如內存模塊PCB板的設計，大部份都采用6層板(高容量的內存模塊可能采用10層板)。最常規的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(guān)點(diǎn)來(lái)講，這樣安排是合理的，但由于電源離地平面較遠，對較小共模EMI的輻射效果不是很好。如果改將鋪銅區放在3和4層，則又會(huì )造成較差的信號阻抗控制及較強的差模EMI等不良問(wèn)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(wú)論從阻抗控制還是從降低EMI的角度來(lái)說(shuō)，都能實(shí)現高速信號完整性設計所需要的環(huán)境。但不足之處是層的堆疊不平衡，第三層是信號走線(xiàn)層，但對應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(huì )遇到一點(diǎn)問(wèn)題，在設計的時(shí)候可以將第三層所有空白區域鋪銅來(lái)達到近似平衡結構的效果。
更復雜的電路實(shí)現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，一般只要不出現嚴重的疊層設計錯誤，設計者都能較容易地完成高質(zhì)量的高速電路板設計。如果走線(xiàn)非常復雜，需要更多的走線(xiàn)層，我們可以將疊層設置為：信號-信號-地-信號-信號-信號-信號-電源-信號-信號，當然這種情況不是我們最理想的，我們要求信號走線(xiàn)能在少量的層布完，而是用多余的地層來(lái)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)。這是因為，雖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，所以和信號走線(xiàn)層一樣，是最好被地平面屏蔽起來(lái)的。同時(shí)，如果使用多余的電源層來(lái)隔離，回路電流將不得不通過(guò)去耦電容來(lái)實(shí)現從地平面到電源平面的轉換，這樣，在去耦電容上過(guò)多的壓降會(huì )產(chǎn)生不必要的噪聲影響。
四．總結
上面僅僅討論了在PCB疊層設計時(shí)會(huì )遇到的部分問(wèn)題，具體應視實(shí)際情況而定，在能力范圍內，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(lái)進(jìn)行疊層方案的設計的同時(shí)，我們還需要考慮一些其它的布線(xiàn)原則來(lái)配合，比如每一層走線(xiàn)的方向，信號層電源線(xiàn)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，才能最終設計出一塊性能較好的電路板。
