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在現(xiàn)代電子設計中，PCB（印刷電路板）作為電子設備的核心組件，其設計的優(yōu)劣直接影響到設備的性能和可靠性。四層板作為多層板設計中的常見類型，其分層策略尤為重要。本文將深入探討PCB四層板的分層原則、典型層疊結構配置，以及如何實現(xiàn)信號層與電源地平面的最佳配比，以確保信號完整性和電源完整性，同時優(yōu)化電磁兼容性（EMC）。

四層板分層原則

 （一）信號層與地平面的緊密耦合

信號層應盡可能與地平面相鄰，以減少信號回流路徑的面積，從而降低電磁干擾（EMI）和信號延遲。這種緊密耦合的設計有助于提高信號的穩(wěn)定性和完整性。

 （二）電源層與地平面的合理布局

電源層應與地平面緊密相鄰，以形成低阻抗的電源分配系統(tǒng)。這種布局可以有效減少電源噪聲，提高電源完整性。同時，電源層與地平面之間的間距應盡量減小，以增加耦合電容，進一步降低電源阻抗。

 （三）層疊結構的對稱性

為了減少層間分層和翹曲等問題，四層板的層疊結構應盡可能保持對稱。這意味著頂層和底層的材料厚度和特性應盡量一致，以確保整個PCB的結構穩(wěn)定性。

 （四）高速信號的處理

對于高速信號，應盡量在表層走線，并確保其與地平面緊密相鄰。如果必須在內(nèi)層走線，應采用帶狀線結構（GND-Signal-GND），以控制阻抗波動并減少串擾。

 典型層疊結構配置

 （一）方案一：信號-地-電源-信號（SGSL）

這種結構適用于大多數(shù)高速數(shù)字電路，信號層與地平面緊密耦合，電源層與地平面相鄰，形成低阻抗電源分配系統(tǒng)。

 （二）方案二：信號-地-信號-電源（SGSP）

這種結構適用于需要更高信號完整性的電路，信號層與地平面緊密耦合，電源層位于底層，提供穩(wěn)定的電源分配。

高速信號跨分割處理

 （一）禁止跨分割的信號類型

- 時鐘信號：時鐘信號作為系統(tǒng)的心跳，其穩(wěn)定性至關重要，禁止跨分割。

- 復位信號：復位信號影響系統(tǒng)的初始化過程，同樣禁止跨分割。

- 100MHz以上信號：高速信號對噪聲敏感，跨分割會增加干擾，因此禁止。

- 關鍵總線信號：如地址總線、數(shù)據(jù)總線等，跨分割可能影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，禁止跨分割?/span>

 （二）差分信號的處理

- 對地平衡：差分信號必須保持對地平衡，避免單線跨分割。

- 跨分割方向：當必須跨分割時，盡量使差分信號線垂直跨分割，以減少耦合干擾。

 （三）高頻返回途徑

- 直接回路：所有信號的高頻返回途徑應直接位于相鄰層信號線的正下方，以減少電感耦合和電磁輻射。

- 實體層設置：在信號線下方設置實體層（如GND平面），為信號提供直接回路，顯著提升信號完整性。

 （四）不可避免跨分割的處理

- 回路電容：當走線與層分割交叉不可避免時，應在信號線與層分割交叉點附近放置0.01uF回路電容，以提供高頻信號的返回路徑。

- 電容布置：回路電容應盡可能靠近交叉點，以減少高頻信號的損失和干擾。

 微帶線與帶狀線過渡設計

 （一）過渡結構設計

在毫米波頻段時，微帶線和帶狀線電路的損耗將增加。因此，需要在微帶線或帶狀線周圍加上金屬屏蔽通孔，起到約束微波信號能量傳輸，降低能量損耗的作用。

 （二）仿真優(yōu)化

目前的垂直過渡結構根據(jù)傳輸線貼片形狀分類，有橢圓貼片、圓形貼片、方形貼片等；根據(jù)過渡方式分類，有金屬通孔式和電磁耦合式 2 種。電磁耦合式傳輸是最近幾年新提出的一種信號垂直過渡形式，它避免了金屬通孔式傳輸可能導致的高成本及電路復雜問題，但也正因為其耦合傳輸?shù)谋举|，只能進行 2 根相距較近的傳輸線間的信號垂直傳輸。

 （三）結構性能

本文設計的過渡結構如圖 1 所示，采用 Taconic 的 TSM DS3 材料作為介質板材，其相對介電常數(shù)為 2.94，損耗角正切為 0.001 4。結構共有 4 層銅皮，從頂層到底層的 4 層銅皮 L1~L4 分別為微帶線層、公共地層、帶狀線層及底部地層。上下 2 根傳輸線間通過一根半徑為 Via_r 的金屬柱體垂直相連。可以通過改變傳輸線的寬度 W1 和 W2 來調整微帶線和帶狀線的阻抗。通過調節(jié)第 2 層和第 4 層的耦合孔 R1 和 R2，以及水滴形貼片的半徑 R5、R6 來改善結構的回波損耗。

在PCB四層板設計中，高速信號跨分割處理和微帶線與帶狀線過渡設計是確保信號完整性和系統(tǒng)性能的關鍵。通過合理的分層策略、跨分割處理方法以及過渡結構設計，可以顯著提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。未來，隨著電子設備的不斷小型化和高性能化，這些設計方法將在更多領域發(fā)揮重要作用。