Svantaggi del tradizionale impilamento a quattro strati del PCB

Se la capacità interstrato non è sufficientemente grande, il campo elettrico sarà distribuito su un'area relativamente ampia della scheda, in modo che l'impedenza interstrato venga ridotta e la corrente di ritorno possa rifluire verso lo strato superiore. In questo caso, il campo generato da questo segnale potrebbe interferire con il campo del vicino segnale di cambio strato. Questo non è affatto quello che speravamo. Sfortunatamente, su una scheda a 4 strati da 0,062 pollici, gli strati sono distanti e la capacità interstrato è piccola
Quando il cablaggio cambia dal livello 1 al livello 4 o viceversa, verrà riscontrato il problema mostrato nell'immagine
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Il diagramma mostra che quando il segnale passa dallo strato 1 allo strato 4 (linea rossa), anche la corrente di ritorno deve cambiare piano (linea blu). Se la frequenza del segnale è sufficientemente elevata e i piani sono vicini tra loro, la corrente di ritorno può fluire attraverso la capacità interstrato che esiste tra lo strato di massa e lo strato di potenza. Tuttavia, a causa della mancanza di una connessione conduttiva diretta per la corrente di ritorno, il percorso di ritorno è interrotto e possiamo pensare a questa interruzione come un'impedenza tra i piani mostrata nell'immagine seguente
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Se la capacità interstrato non è sufficientemente grande, il campo elettrico sarà distribuito su un'area relativamente ampia della scheda, in modo che l'impedenza interstrato venga ridotta e la corrente di ritorno possa rifluire verso lo strato superiore. In questo caso, il campo generato da questo segnale potrebbe interferire con il campo del vicino segnale di cambio strato. Questo non è affatto quello che speravamo. Sfortunatamente, su una scheda a 4 strati da 0,062 pollici, gli strati sono distanti (almeno 0,020 pollici) e la capacità interstrato è piccola. Di conseguenza si verifica l'interferenza del campo elettrico sopra descritta. Ciò potrebbe non causare problemi di integrità del segnale, ma creerà sicuramente più EMI. Questo è il motivo per cui, quando si utilizza la cascata, evitiamo di cambiare strato, soprattutto per i segnali ad alta frequenza come gli orologi.
È pratica comune aggiungere un condensatore di disaccoppiamento vicino al foro di passaggio della transizione per ridurre l'impedenza sperimentata dalla corrente di ritorno, come mostrato nell'immagine seguente. Tuttavia, questo condensatore di disaccoppiamento è inefficace per i segnali VHF a causa della sua bassa frequenza di autorisonanza. Per i segnali CA con frequenze superiori a 200-300 MHz, non possiamo fare affidamento sui condensatori di disaccoppiamento per creare un percorso di ritorno a bassa impedenza. Pertanto, abbiamo bisogno di un condensatore di disaccoppiamento (per frequenze inferiori a 200-300 MHz) e di un condensatore interno relativamente grande per le frequenze più alte.
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Questo problema può essere evitato non modificando il livello del segnale chiave. Tuttavia, la piccola capacità interna della scheda a quattro strati porta ad un altro serio problema: la trasmissione di potenza. I circuiti integrati digitali dell'orologio richiedono in genere elevate correnti di alimentazione transitorie. Man mano che il tempo di salita/discesa della produzione dei circuiti integrati diminuisce, dobbiamo fornire energia a una velocità maggiore. Per fornire una fonte di carica, solitamente posizioniamo i condensatori di disaccoppiamento molto vicino a ciascun circuito integrato logico. C’è però un problema: quando andiamo oltre le frequenze di auto-risonanza, i condensatori di disaccoppiamento non possono immagazzinare e trasferire energia in modo efficiente, perché a queste frequenze il condensatore si comporterà come un induttore.
Poiché la maggior parte dei circuiti integrati oggi hanno tempi di salita/discesa rapidi (circa 500 ps), abbiamo bisogno di una struttura di disaccoppiamento aggiuntiva con una frequenza di auto-risonanza più elevata rispetto a quella del condensatore di disaccoppiamento. La capacità interstrato di un circuito stampato può costituire un'efficace struttura di disaccoppiamento, a condizione che gli strati siano abbastanza vicini tra loro da fornire una capacità sufficiente. Pertanto, oltre ai condensatori di disaccoppiamento comunemente utilizzati, preferiamo utilizzare strati di potenza e strati di terra ravvicinati per fornire potenza transitoria ai circuiti integrati digitali.
Tieni presente che a causa del comune processo di produzione dei circuiti stampati, di solito non disponiamo di isolanti sottili tra il secondo e il terzo strato della scheda a quattro strati. Una scheda a quattro strati con isolanti sottili tra il secondo e il terzo strato può costare molto di più di una scheda a quattro strati convenzionale.