В этой статье представлен большой тренинг Рика Хартли по разводке земли в печатных платах. Перевёл и озвучил данное видео Dmitry Muravyev, за что ему огромное спасибо. Я всего лишь сделала конспект этого замечательного тренинга, чтоб люди могли ознакомиться с ним быстрее, чем смотреть двухчасовое видео, либо вернуться к каким-то отдельным темам, если позабылось. Категорически рекомендую ознакомиться с источником.

Подписывайтесь на мой телеграм канал про разработку электроники, чтоб быть всегда на связи, там много про мою профессиональную жизнь и конечно же мемы каждый день!

https://t.me/lokicheese

Впервые люди начали использовать землю в качестве проводника около 300 лет назад для отведения молний от зданий. Молния сама естественным образом стремится разрядиться на землю. Так что установив железный стержень на крыше здания и проведя от него  большой толстый провод вниз по зданию к балке, вбитой в землю, люди отводили молнии от зданий. Это был первый опыт использования земли в качестве возвратного пути для протекания тока. Из чего скоро стало ясно, что землю можно использовать в качестве возвратного пути и для других целей.

На заре телеграфии в 1830-40 годах, когда прокладывали телеграфные линии, задействовали два провода для прямого и обратного пути линий передачи, чтобы замкнуть цепь. Но вскоре выяснилось, что если подключить внутреннюю схему приёмопередатчиков к корпусу, в котором они находятся, а затем основательно заземлить, то от второго земляного проводника можно избавиться. В качестве обратного пути буквально можно использовать землю. Хотя конечно это не самый лучший возвратный путь, но в этом случае адекватный, потому что у нас достаточно сильный сигнал на низкой частоте.

Один из способов как используют заземление в большинстве электронных схем - это подсоединение к третьему проводу сети переменного тока, он бывает жёлтого, зелёного или желто-зеленого цвета. И предполагается, что этот провод служит для соединения корпусов различного оборудования с землёй с целью безопасности. Если фаза каким-то образом закоротилась на корпус, то через земляной провод потечёт ток и вызовет отключение автомата. Без этого механизма человеку, дотронувшемуся до корпуса в этот момент грозила бы смерть от электрического тока. Безопасность это единственная роль заземления.  Эта земля не имеет никакого отношения к погашению магнитных помех, наоборот, если неправильно подключить нулевой провод, земля может стать источником помех. Часто в земляной провод вводят индуктивность, чтоб высокочастотная энергия не передавалась от корпуса к земле, потому что при высоких частотах на пути от корпуса к земле будет такой высокий импеданс что проводник начнёт вести себя как излучающая антенна. Многие люди рассматривают корпус устройства (шасси) как точку с нулевым потенциалом (потенциалом земли). Но это не так. Даже когда шасси заземлено в целях безопасности, это не более чем металлическое шасси. Его функция это служить клеткой фарадея и защищать устройство от внешних помех и окружающие устройства от помех устройства. Также стоит помнить, что корпуса разъёмов всегда должны быть подключены к корпусу устройства. Разъём нужен для того, чтобы обеспечить максимально возможное экранирование на 360 градусов. Корпус разъёма это просто продолжение клетки Фарадея.

Земля в печатных платах  часто рассматривается, как область нулевого потенциала с нулевым сопротивлением и нулевым импедансом. И это совершенно не так. Потенциал земли близок к 0 вольт, но это не 0 вольт. Потенциал на нулевом проводнике не может быть нулевым везде, так как при протекании тока всегда есть падение напряжения, на высоких частотах этот эффект усиливается ещё больше. Подобное упрощение можно сделать только при постоянном токе, где и сопротивление и импеданс равны нулю. При повышении частоты земля становится чем угодно, но не нулевым потенциалом. Часто инженеры думают о земле, как о месте для фильтрации и отвода всякого шума, будто это какая-то канализация. Но это неправильное представление.

Энергия никогда ни откуда не берётся и е разрушается, она всегда преобразуется из одной формы в другую. Световая энергия и электрическая это одно и то же, только у света частота в миллион раз выше.

Энергия в цепи содержится не в напряжении и токе, а в полях, электрическом и магнитном и передаётся не по проводникам, а в пространстве между проводниками, через пластик, стекловолокно т. е. стеклотекстолит. Энергия передаётся электромагнитной волной, состоящей из полей, а дорожки выступают как волновод. Таким образом, если у нас есть дорожка на одном слое и полигон на другом слое, то волна распространяете по диэлектрику между этими слоями. Энергия следует за дорожкой потому что это путь с наименьшим импедансом. Но мы можем поместить энергию и просто в диэлектрик без каких-либо дорожек. Как если бы мы запустили электромагнитную волну в воздух, чтобы сделать радиовещание, только проводники выступают как путеводитель для этой волны, то есть волновод.

На картинке изображён трубчатый волновод, изготовленный из металла. Если приложить энергию к этой трубке и эта энергия будет иметь длину волны, половина которой равна Х, вы получите стоячую волну внутри трубки на одной частоте. Это частота, длина волны которой будет в 2 раза больше расстояния Х. И это та частота, с которой энергия будет передаваться по трубке. Она будет проходить по воздуху трубки, создавая ток в боковых стенках, в нижней и верхней частях трубки, создавая напряжение в материале этой трубки. Напряжение и ток создаются полями и они же несут в себе энергию. Напряжение и ток энергию в себе не несут. Этот волновод предназначен для передачи энергии одной частоты и блокирования или шунтирования всех остальных частот.

На этой картинке тоже изображён волновод, только встроенный в плату. Спроектированный таким образом, что материалы печатной платы будут вести себя точно также, как ведёт себя металлический волновод, с одним исключением. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость платы выше, чем у воздуха, энергия будет перемещаться с меньшей скоростью. В FR4 энергия распространяется со скоростью равной половине скорости света, а в воздухе со скоростью света. Этот волновод соединён с микрополосковой линией - дорожкой на первом слое, проложенной над медной плоскостью на втором слое. Энергия волновода показана здесь с правой стороны, энергия в микрополоске с левой синей полосы на картинке. Энергия в микрополосковой линии больше излучается, она состоит из более, чем одной частоты, но в остальном это просто всплески энергии, которые распространяются волнами по микрополосковой линии, а затем передаются в волновод.

Линия передачи или волновод это любая пара проводников, используемая для перемещения энергии из точки А в точку Б. На медных проводниках линий есть напряжение, а внутри проводников есть ток, а энергия содержится в полях, распространяющихся в диэлектрике. Как происходит процесс передачи ток? Энергия запускается в цепь в виде волны, состоящей из полей. Поля создают напряжение на обоих проводящих элементах одновременно и одновременно образуется прямой ток и обратный, это не работает так, что ток течёт сначала к нагрузке, а потом обратно к источнику, всё происходит одномоментно. Допустим мы запустим питание в цепь и энергия будет в какой-то момент на половине пути по ходу линии и мы посмотрим на состояние проводников в этот момент, то на проводах на первой половине пути по линии будет напряжение, и на прямом, и на возвратном проводнике.

Это полосковая линия, дорожка центрированная в диэлектрике между двух полигонов. При прохождении электромагнитной волны в проводнике сначала возникает электрическое поле, оно распространяется от дорожки к плоскостям и энергия этого поля возбуждает электроны в атомах меди. Эти электроны начинают двигаться образуя течение тока в медных слоях полигона и в медной дорожке. А затем, как реакция на движение тока в проводнике возникает магнитное поле, которое направлено перпендикулярно электрическому полю и окружает дорожку. Оно не сконцентрировано только вокруг проводника, оно распространяется вокруг и, как бы, растекается по диэлектрику. Именно это растекание и вызывает помехи и влияет на близкорасположенные дорожки и компоненты. Если полосковая линия на внутреннем слое между двумя полигонами, то на внешних слоях эти поля меньше рассеиваются и не выходят за пределы полигонов. В отличии от микрополосковой линии на внешнем слое, там поля распространяются шире и уходят в воздух.

Рассмотрим двухслойную печатную плату с плоскостью земли на втором слое. На первом слое сигнальные дорожки и всё пространство между ними залито медью, эти пространства связаны множеством переходных отверстий с земляным полигоном. Такие дорожки называются микрополосковыми линиями, это дорожка на одном слое+полигон на втором слое. Питание проложено на 1первом слое, в аналоговых схемах не нужен отдельный слой для питания. Рассмотрим где на плате будет проходить возвратный ток. Заметим, что у каждой микросхемы есть вывод земли, расположенный рядом с сигнальным выводом, который соединён со вторым слоем платы. На низких частотах обратный ток по полигону идёт по кратчайшему пути, а на высоких частотах (особенно больше звукового 20 кГц) старается повторить форму пути прямого тока, то есть проходит по полигону непосредственно под дорожкой прямого тока. В случае постоянного тока (или низкочастотного (НЧ) ток всё равно не шёл бы строго по кратчайшему пути, а распределялся бы по плоскости на довольно большое расстояние, по ширине равным длине кратчайшего пути. На ВЧ (высоких частотах) так происходит, потому что электромагнитное поле всегда идёт по пути наименьшего импеданса.

Почему так происходит? Потому что энергия всегда выбирает путь с наименьшим импедансом, то есть путь меньшей индуктивности и большей ёмкостной связи.

Индуктивность - это сопротивление протекающему току, вызванное инертностью (массой) магнитного поля. Допустим, две дорожки питания и земли идут параллельно и далеко разнесены друг от друга, тогда магнитное поле пространственно более объёмное и более инертное, и создаёт больше сопротивления. Индуктивность проводника можно уменьшить, увеличив его ширину, но это будет работать только до определённой степени, в какой-то момент увеличение ширины перестанет давать эффект. Также индуктивность можно уменьшить расположив дорожки ближе друг к другу, тогда поле станет менее объёмным, но лучше всего расположить дорожки друг над другом. Высокая ёмкость обеспечивается если прокладывать дорожки питания поверх обратного пути или максимально близко к обратному пути. Можно ли снизить индуктивность, если поставить большие переходные отверстия к нулевому полигону от фильтрующих конденсаторов? Нет, лучше поместить их максимально близко к паду конденсатора или даже прям на нём, если конденсатор маленький.

На низких частотах ток идёт по наименьшему пути за счёт скин-эффекта (это сложно объяснимый феномен). Также его можно объяснить на примере формулы волнового сопротивления. На постоянном токе частота стремится к нулю и jw стремится к нулю, так что единственное что влияет на импеданс, это сопротивление меди и поэтому ток идёт по пути наименьшего сопротивления. По мере увеличения частоты появляется какой-то коэффициент, на который умножается индуктивность и она становится всё более важной при распространении тока. Поэтому возвратный ток на высоких частотах всегда идёт под дорожкой прямого тока, так как там наименьшая индуктивность.

Иллюстрация вышесказанного на эксперименте. Если фазу генератора подключить к длинному коаксиальному кабелю и подключить к нагрузке, а ноль соединить коротким проводом  с нагрузкой, но плюс к этому подключить его к экрану кабеля, то при постоянном токе, весь обратный ток пойдёт по короткому проводнику, с увеличением частоты всё больше тока пойдёт по экрану кабеля и меньше по короткому и на очень высокой частоте почти никакого обратного тока не будет течь по короткому проводнику, а весь он будет течь по оплётке.

На графике указан ток  этом коротком отрезке в зависимости от частоты генератора. За пределами 100 кГц ток в проводе почти не будет течь, а за пределами 1 МГц ток в этом проводе будет равен нулю.

Частота тока в цифровых схемах определяется не количеством тактов за период, а крутизной фронта импульсов (временем их нарастания). В современных микросхемах это составляет от  300 до 700 пикосекунд. Если перевести время нарастания в частоту, получается, что все качественные микросхемы работают на гигогерцовых частотах. Так что все цифровые схемы выскокочастотные и надо их разводить по правилам высоких частот. Кроме низкокачественных микросхем, у которых время нарастания больше.

Далее представлена плата, которую развели в 1984 году. Плата двухслойная. На верхней стороне проложили сигнальные дорожки, а также дорожки питания и земли в направлении по оси Х, и также сигнальные дорожки и дорожки питания и земли в направлении по оси Y на обратной стороне, то есть перпендикулярно дорожкам на верхней стороне. Во всех местах, где шины питания или земли пересекались (проходили друг над другом) их соединяли переходными отверстиями. Магнитное поле дорожки, указанное стрелкой распространялось бы по всему диэлектрическому пространству платы и поля бы распространялись бы от этой дорожки к шине питания, которая проходит над микросхемой и шине земли, которая проходит под этой микросхемой и большая часть обратного тока приходилась бы на шины питания и земли. В том году  с теми частотами и размерами плат то прокатывало, сейчас нет. С нынешними частотами обратный ток дорожки проходил бы по соседним сигнальным дорожкам и плата не работала бы.

Возьмём витую пару и подадим на неё сигнал. Добавим ещё один провод для обратного тока и ещё один, в итоге два, таких же по длине и сечению, как первый. Если сигнал будет постоянным током, то мы получили бы примерно одинаковые возвратные токи во всех трёх проводах. По мере увеличения частоты всё меньше энергии будет протекать в двух дополнительных проводах и настанет момент, когда тока там вообще не станет на звуковом диапазоне  частот.

 Когда я (Рик Хартли) только начинал проектировать мы прокладывали широкие дорожки  земли непосредственно под дорожками низкочастотных сигналов, чтобы держать поля внутри этого пространства, потому что низкочастотные поля имеют свойство распространяться в пространстве, если использовать сплошной земляной полигон. Но если мы работаем с высокочастотными сигналами, энергия в земляном полигоне будет самонаправляться, повторяя путь сигнального проводника.

Поговорим об электромагнитных помехах. На рисунке изображено 4 печатные платы. Большая серая область является земляным полигоном, белые участки это вырезы в полигоне, пунктирная линия обозначает контуры дорожки на первом слое. Получается, что у нас есть микрополосковая линия (дорожка) на слое 1 и сплошной земляной полигон на слое 2 с вырезами на некоторых из плат. На рисунке 3 для возвратного тока имеется большой широкий проводник, несмотря на вырезы в полигоне, они расположены так, что создают место для возвратного тока, также, как и на первом рисунке. У плат на рисунках 1 и 3 будет примерно одинаковая характеристика электромагнитных помех (кто интересуется почему то такое сигнатура ЭМП, как он сказал дословно читайте https://wiki5.ru/wiki/Spectral_signature, это всё, что я нашла по запросу сигнатура ЭМП). У рисунков 2 и 4 дорожка проложена поверх вырезов, в одном много маленьких вырезов, в другом один большой, поперёк дорожки. Вопрос, в каком ЭМИ будет больше? У вариантов 1 и 3 сигнатура будет самая наименьшая, вот их характеристики, они довольно похожи. Серая линия соответствует 4 рисунку, где много ячеистых вырезов, самые плохие характеристики имеет рисунок 2, розовый график.. В зависимости от частоты интенсивность на 20-30 дБ меньше, чем для вариантов 1 и 3.

Это рисунки распределения токов в полигоне земли для 1 и 3 вариантов. В обоих случаях ток проходит по хорошему сплошному участку земли без каких либо вырезов. У варианта 4 поля будут распространяться шире и, распространяясь, они создадут более широкую полосу протекающего тока, соответственно создадут больше электромагнитного излучения. Теперь посмотрим на второй случай, прикол да? (дословный перевод). Энергия тут размазана по всей плате. Мы помним, что электромагнитная энергия проходя через диэлектрическое пространство находится между дорожкой и полигоном земли под ней, и когда она добирается до этой щели, то она думает: опа, а дальше мне куда?! (дословный перевод). У меня нет прямого пути, по которому можно было бы пройти, поэтому она растягивается вдоль этого выреза по всей его длине, обходит вырез вокруг и по воздуху над платой, создавая ток смещения и проходя через ёмкость выреза, чтобы попасть на другую сторону. Электромагнитное поле при этом становится больше и создаёт помехи большей интенсивности. Из этого следует правило: никогда не прокладывать дорожки с высокочастотными сигналами поверх вырезов в полигонах земли.

Один инженер сказал: есть два типа инженеров, одни разводят на печатных платах антенны намеренно, а другие ненамеренно. И в этом есть доля правды, потому что вы можете наразводить на плате таких «антенн», которые будут ловить на себя помехи.

На этой плате порядка 10 дорожек на верхнем слое проложены поверх 10 дорожек на 2 слое и все они пересекаются. Это двусторонняя плата без внутренних слоёв. Эта ситуация ещё хуже, чем прежняя, потому что тут 10 дорожек проложены поверх 10-ти вырезов. С этой платой были большие проблемы в её работе, и вот как инженеры это исправили. На следующем рисунке показан только один слой платы. Дорожки перепроложили так, что между каждой парой сигнальных дорожек проложили линии земли, таким образом они уменьшили пространство между прямыми и возвратными путями. Это не идеальное решение, но так намного лучше. Они снизили сигнатуру ЭМП на 15-20 дБ. Вывод: каждая цепь должна иметь продуманный возвратный путь с низким импедансом поблизости. Ещё они залили земляной полигон под самой микросхемой. Дело в том, что этот микроконтроллер был проектирован не очень хорошо и сильно шумел (испускал ЭМП), инженеры хотели локализовать поля в небольшом пространстве таким путём, это что-то вроде экранирования. На третьем рисунке обратная сторона той же платы. Здесь также проложены дорожки земли между парами сигнальных дорожек, и, что важно, эти дорожки должны быть соединены с землёй с обоих концов. Если их подключить только с одной стороны, то у нас получится только экран для электрического поля (либо тут опечатка и должно быть «электромагнитное», либо я не поняла). Нам нужно, чтобы мы могли перемещать электромагнитное поле вдоль дорожки, для этого нам надо соединить дорожки с землёй с обоих сторон. Также стоит обратить внимание, что фильтрующие конденсаторы находятся на нижней стороне платы и питание здесь разведено отдельными дорожками. Для питания не обязательно выделять отдельные слои, если частоты сигналов не очень высокие (порядка гигагерц).

Перед нами структура слоёв четырёхслойной платы. На 1, 2 и 4 слоях сигнальные линии, а на 3 земля. Все сигнальные слои опираются на плоскость земли на 3 слое. (Пустое пространство между слоями это толщина диэлектрика) обратите внимание на толщину диэлектрика между 1, 2 и 3, 4 слоями, именно так изготавливаются настоящие печатные платы. Диэлектрик между 1 и 2 или 3 и 4 слоями будет примерно 0,25 мм, а между парами слоёв 1, 2 и 3, 4 от 0,75 и больше. При разводке такой платы опять могут возникнуть проблемы с помехами. Поля от сигналов на 2 слое находятся в диэлектрическом пространстве между 2 и 3 слоями, в то же время сигналы на 1 слое имеют свои поля  пространстве между 1 и 3 слоем и они друг с другом пересекаются. Дорожки на 1 и 2 слое не были проложены параллельно, а проложены поперечно друг другу и поскольку они пересекаются, их поля пересекаются тоже. Но это не создаст никаких проблем с целостностью сигналов (только если это не гигабитные скорости). Но будут проблемы с помехами. Разность потенциалов между этими слоями будем всего лишь пару милливольт, но они вызовут синфазные токи порядка 10-30 микроампер и этого достаточно для проблем с ЭМП. Такие синфазные токи это основной источник ЭМП. Какое решение? Развести дорожки на 1 слове триплетами, используя копланарную землю (как из случая выше), проложить дорожки земли параллельно с сигнальными и проблема по большей части исчезнет.

Описание ещё одного кейса. Есть плата со схемой усилителя и при нормальных условиях выходной сигнал усилителя выглядит, как на картинке слева, но когда, на той же плате включается схема оцифровки акселерометра выходной сигнал уже выглядит, как на картинке справа, потому что энергия от этой схемы попадает в схему усилителя. Оказалось, что структура слоёв на этой плате была как с предыдущего слайда. Поскольку поля проходят через одно и то же диэлектрическое пространство, сигналы первого и второго слоя влияют друг на друга. В этом случае никак нельзя было уменьшить количество сигнальных слоёв, тогда единственный выход, это шестислойная печатная плата.

На палате, которая представлена на слайде, также были проблемы с ЭМП. Проблема та же, есть сигналы, которые накладываются на одно и то же диэлектрическое пространство. Изначально, инженеры, которые проектировали эту плату думали, что проблема в том, что сигналы находятся слишком далеко от земли. Они сделали эту плату восьмислойной и добавили по одному слою земли с обоих сторон и соединили их с корпусом. Но это не сработало. Стало даже хуже, потому что теперь поля сигнальных линий на 2 и 7 слое опирались в основном на плоскости, которые были подключены к корпусу, а эти плоскости не были подключены к внутренним слоям земли. Дальше Рик объясняет, что они сделали так потому что давно поняли, что нельзя подключать внутреннюю землю к корпусу (конкретно в их сфере, авионике). В общем, обратные токи протекали по слоям, которые не были подключены к пинам земли ни одной микросхемы на плате и эти возвратные токи просто не возвращались к своему источнику. В итоге эти слои земли было решено отсоединить от корпуса и соединить с внутренним слоем земли и это сработало. Теперь 2 и 3 слой опирались на 1 и 4 слои земли, а 6 и 7 на 5 и 8 слои.

Проблема с платой в 12 слоёв. Есть высокочастотный аналоговый сигнал, который проложен на первом слое, это практически единственный аналоговый сигнал на плате, он имеет размах от 0 В до 9 В. Проблема – помехи и некорректная работа устройства. Частота сигнала 1 ГГц. Также на плате есть цифровые устройства, которые генерировали высокие гармоники из-за переднего и заднего фронтов цифровых импульсов, они тоже были на частоте около 1 ГГц. Первые 4 слоя выглядели, как на картинке. На 1 слове помимо аналогового сигнала было много цифровых сигналов на 3 и 4 слоях слой питания 12 вольт и земля. 2 слой по-правильному должен быть землёй, но это оказалось не так, это был слой питания на 5 вольт. Эта плата хорошо работала до последней ревизии и возможно этот слой был изменён с земляного на 5 В. Энергия в плате проходит в диэлектрике между 1 и 2 слоями и весь обратный ток от высокочастотного аналогового сигнала находится не на слоях 3 или 4, а на 2 слое, потому что именно там находятся поля. Потому что энергия в диэлектрическом пространстве должна была как-то попасть в диэлектрическое пространство между слоями 2 и 3 и 3 и 4, а затем должна была каким-то образом пройти в диэлектрическое пространство между слоями 1 и 2, чтоб потом продолжить свой путь вдоль дорожек и последующих линий передач. Но этого не могло произойти потому что не было прямого подключения между усилителем, через который проходил этот аналоговый сигнал и плоскостью на 2 слое, а потому поля растекались между диэлектриками, между 2 и 3 и 3 и 4 слоями, чтобы найти разрывы в плоскостях, чтобы они могли найти свой путь в это диэлектрическое пространство между сигнальной дорожкой на 1 слое и плоскостью на 2, а поскольку в этой же области находились поля цифровых сигналов и их гармоники были на той же частоте, поля накладывались и у них возникла проблема с помехами. Возникает вопрос а может ли сигнал в качестве опоры использовать плоскости питания на печатной плате. Да, но тогда и только тогда, когда вы опираетесь на плоскость питания, которая сгенерировала сигнал. В таком случае они могли бы опираться не на землю, а на 12-вольтовый полигон питания, потому что эти 12 вольт использовались для генерации сигнала и у нас, и усилитель, и приёмник подключены к 12 вольтам. Импедансные линии без проблем могут опираться на плоскость питания, но только в том случае, когда и источник, и приёмник сигнала подключены к этой плоскости. Другое дело, что когда вы опираетесь на плоскость питания, прокладывая дорожку с одного слоя на другой – это плохая идея (объяснят позже). Но надо помнить, что, если это сигнал 3.3 В, он не может опираться на слой 5 В или 12 В или любой другой слой отличный от слоя питания 3,3 В.

Очень важный момент иметь низкую индуктивность на всех выводах микросхем. Низкая ли индуктивность на выводах чипов с картинки? Что определяет низкую индуктивность? Расстояние от выводов питания и земли, это означает, что низкой индуктивности у них нет. Посмотрите на чип слева и на один из сигнальных выводов прямо в середине левого ряда. Где будет возвратный ток? В ближайшем земляном выводе или выводе питания? Ни там, ни там. Он будет находиться в ближайшем сигнальном выводе или в двух сигнальных выводах по обе стороны микросхемы. Если посмотреть на BGA-чип справа и на один из сигнальных выводов в нижней части микросхемы, где будет возвратный ток от сигналов в нём? В восьми сигнальных выводов окружающих его. Это чрезвычайно плохо проектированные микросхемы.

Проводили исследование, изучали две ПЛИС, от Альтера и Xilinx. Чип на картинке от Альтера по сравнению с двумя чипами на предыдущей картинке спроектирован намного лучше. Потому что у него намного больше контактов питания и земли, и они расположены ближе к сигнальным контактам. Таким образом, у нас больше шансов вернуть энергию в контакт питания или земли. Но даже у этого чипа есть области, где питание и земля отсутствуют. В результате все сигналы внутри этих круглых обозначенных на рисунке, будут продуцировать возвратные токи друг в друге. Не будет возвратных токов в земле и в питании, они все будут возвращаться друг через друга. Слева чип от Xilinx. Он имеет другую конфигурацию выводов и он работает намного лучше, тут гораздо лучшая распиновка питания и земли. В этой микросхеме лучше спроектировано распределение питания и она предоставляет больше возвратных путей для сигналов. Микросхема справа вызывает в 5 раз больше перекрёстных помех, чем микросхема слева. Подробная статья об этом называется BGA Crosstalk – Dr. Howard Jonson.

Это микросхема BGA на 324 контакта. Она была сделала по усовершенствованному техпроцессу с усадка кристалла. Усадка кристалла уменьшает его размер. Это позволяет разместить больше чипов на одной пластине, это намного выгоднее, да ещё и скорость работы микросхемы сильно возрастёт. Скорость нарастания фронтов увеличивается, а это значит, что частота гармоник увеличивается. А по мере увеличения частот гармоник электромагнитные помехи усиливаются, целостность сигнала ухудшается, перекрёстные помехи усиливаются. В итоге этот кристалл вообще не работал в прежнем корпусе. Разработчикам посоветовали добавить кучу выводов питания и земли, и они увеличили количество контактов с 324 до 416. Все тёмно-зелёные выводы — это земля и ими усеяна вся микросхема. Все тёмные выводы — это питание, поступающие в устройство. У всех из них есть рядом пин земли прямо рядом на расстоянии одного контакта, они расположены парами, таким образом снижается индуктивность. Более светлые — сигнальные выводы расположены вокруг выводов питания и земли, и каждый сигнальный вывод находится на расстоянии одного контакта от питания и земли. Именно так должны выглядеть высокотехнологичные микросхемы будущего.

Общие правила компоновки компонентов

• Группировка компонентов по функциям и классам. Аналоговые и цифровые компоненты должны быть в своих отдельных областях, их нельзя смешивать.

• Также компоненты от разных напряжений питания должны быть в своих областях. Если делать так, то дорожки с разными напряжениями не будут проходить рядом и наводить друг на друга помехи, и можно будет разделить один слой питания на несколько сегментов с разными напряжениями, чтоб залить каждый из них полигоном.

• Компоненты с разными частотами также должны быть каждый на своём участке.

• Также надо группировать компоненты по семействам, схожему функционалу и напряжению. И все микросхемы, подключенные к разъёмам должны располагаться как можно ближе к соответствующему разъёму. Если от разъёма будут, например, длинные провода и при этом от разъёма до компонента будут идти длинные дорожки, в цепях будут возникать синфазные токи, полностью избавиться от них не получится, единственное что мы можем сделать, это спроектировать плату так, чтоб свести их к минимуму. Если проложить длинные дорожки и не поставить на них фильтры, то синфазная энергия перейдёт на другую плату, при худшем раскладе она перейдёт в кабель, который будет вести себя как антенна и наводить на плату кучу помех.

• Все дорожки также должны размещаться в своих областях, не стоит их перемешивать.

• Если держать дорожки в своих областях, то необходимость разделения земли на аналоговую и цифровую, возникает только тогда, когда частоты аналоговой части опускаются в звуковую область, значительно ниже 20 кГц. Если всё изолировано и частота выше, нет никакой необходимости разделять землю на аналоговую и цифровую. Если у нас есть аналоговые и цифровые компоненты в их собственных областях, например аналогово-цифровой преобразователь, который связывает аналоговую и цифровую часть, и если это возможно, нужно физически расположить аналоговые и цифровые компоненты достаточно далеко друг от друга, чтобы цифровые поля не накладывались на аналоговые. Что значит достаточно далеко? Это значит, что расстояние между аналоговой областью и цифровой должно быть в 20 раз больше, чем расстояние между сигнальным слоем с этими компонентами и земляным (толщина диэлектрического слоя).

Некоторые производители чувствительных компонентов, например видеоконтроллеров советуют помещать их в изолированную область на печатной плате, как в левом верхнем углу рисунка, так же они предлагают отделить питание и землю вокруг этой микросхемы и подавать питание и землю в эту область с помощью фильтров нижних частот, чтобы вы могли получать низкочастотную энергию от шины питания постоянного тока, то есть получать энергию от основной секции питания в эту секцию наверху без помех. В целом да, какое-то разделение нужно, но хорошая ли идея делать так, как они советуют? Как мы будем передавать сигналы от этой микросхемы, которая находится в этой ограниченной области к другим микросхемам на плате, не проводя дорожки поверх разрывов в слое питания и земли? А никак! Люди, пишущие такие даташиты часто не понимают, что энергия, в том числе и помехи, передаются не через медь, а через пространство между проводниками. И на самом деле достаточно отделить эту зону либо в слое питания, либо в слое земли, а не в обоих сразу. Отделите только слой питания и всё будет отлично, шумы на секцию с видеоконтроллером попадать не будут.

Если у нас есть разделённый слой питания, два полигона одного напряжения, можем ли мы проложить сигнальную дорожку поверх этого разделения, через промежуток между двух полигонов? И да и нет. Да, если слой питания и слой земли физически находятся близко друг к другу. Если толщина диэлектрика между ними 0,2 мм или меньше, поля пойдут через это диэлектрическое пространство по направлению к разрыву между полигонами питания, и когда они достигнут этого промежутка они пройдут через емкостную связь через промежуток обратно в диэлектрическое пространство между 1 и 2 слоями. Поля будут немного расширяться через разрыв, создавая ток смещения между плоскостью питания и плоскостью земли для прохождения на другую сторону. Ширина промежутка должна быть меньше длины электромагнитной волны. Что насчёт ЭМП? Если два слоя находятся достаточно близко друг к другу пробем не будет. Но если сигналы порядка ГГц, то лучше не прокладывать дорожки в этом зазоре.

Вспомним, что на 4-слойной плате между 2 и 3 слоем большой зазор, там точно не 0,2 мм, это расстояние обычно 0,7-1мм. Так что на четырёхслойной плате проведение дорожки поверх зазора между полигонами станет проблемой. Проводили исследование, чтоб подтвердить это. Взяли 4-слойную плату с плоскостью земли на 2 слое. На 1 слое расположили источник сигнала, приёмник и соединяющую их сигнальную линию, которая опиралась на плоскость земли на 2 слое. Для анализа включили зонд для измерения напряжённости электромагнитного поля в ближней зоне и анализатор спектра, чтобы измерить энергию, исходящую от этой платы по всему периметру. Измеряли всегда наибольшее значение излучения. Затем выключили источник и включили другой, расположенный в том же месте с приёмником-дорожкой, но на нижней стороне платы, так что поля дорожки опирались на разделённые полигоны питания на 3 слое и также замеряли ЭМП. Затем поставили два конденсатора мостиком через разделённые полигоны и произвели третье измерение. Затем поставили второй комплект конденсаторов и сделали четвёртое измерение.

Результат первого измерения - синий график.

Второго - красный. На 20 дБ хуже, чем первый.

Третий - фиолетовый между красным и синим (с конденсаторами). Получше, чем красный, но на низких частотах. На высоких эффекта практически нет.

Четвёртый - зелёный с 4 конденсаторами, ситуация чуть лучше.

Конденсаторы не помогают на высоких частотах потому что конденсатор имеет импеданс обусловленный ёмкостью, который начинается с высокого уровня и уменьшается до нуля по мере увеличения частоты. И также, он имеет импеданс обусловленный индуктивностью, её создают обкладки конденсатора, металлические контакты, пины SMD или выводных конденсаторов. И эта индуктивность увеличивается по мере увеличения частоты. Есть точка, где эти кривые пересекаются друг с другом, при этом импедансе они расходятся по фазе на 180 градусов друг от друга. Это означает, что они нейтрализуют друг друга, и их импеданс в этой точке равен нулю. Единственным сопротивлением конденсатора в этот момент является сопротивление медных проводников. Это называется собственной резонансной частотой. Общая частотная характеристика выглядит, как красная кривая на графике. Именно так обычно выглядят кривые импеданса конденсатора. Конденсаторы лучше всего выполняют свою работу именно здесь, на частоте, называемой собственной резонансной частотой. На левой стороне графика импеданс выше, но это всё ещё конденсатор, а на правой стороне графика импеданс тоже выше, но растёт он из-за роста влияния индуктивности и с ростом частоты наступает момент, когда он уже не приносит никакой пользы для уменьшения ЭМП.

Не прокладывайте дорожки поверх разрывов в земле и не прокладывайте дорожки поверх разрывов в слоях питания если у вас толстый диэлектрик.

Не проводите дорожку по слою земли под другими дорожками, если можно этого избежать. Если нужно проложить действительно короткую дорожку по слою земли, как показано на слайде, возможно это не создаст больших проблем, если у вас будет только три или два сигнала, через которые вам надо перескочить, то это будет достаточно маленький вырез, который не будет резонировать. Скорее всего всё, что мы получим это некоторое расширение полей и некоторое взаимное влияние между линиями. Но влияние будет небольшим, потому что расстояние в котором будут пересекаться поля будет коротким. Если же это чувствительные аналоговые сигналы, то это будет очень плохой идеей. Инженеры делали плату, на которой был 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь на двухслойной гибкой плате и выходы трёх схем акселерометров, которые были в самолёте подключали через усилители, xтоб повысить уровень их сигнала, а затем подводили их к АЦП. И на этих платах были подобные места. Но так поступали только с цифровыми сигналами, которые были менее чувствительными. Чувствительным аналоговым сигнала отдали абсолютный приоритет? и инженеры должны были быть абсолютно уверены, что нигде на плате эти сигналы не потеряли своей опоры на землю от точки А до точки Б. Когда же вы имеете дело с низкочастотными линиями (с медленным временем нарастания), такими, как линии управления (у них часто пологие фронты), вы можете выполнить такой перескок по верхнему слою, используя резистор с нулевым сопротивлением, только не пытайтесь это проделать с высокочастотными линиями, потому что резистор в ноль Ом на высоких частотах это не ноль Ом, он будет меть высокий импеданс из-за своей индуктивности.

Как переходить на другой слой. Мы меняем слой, когда нам нужно сменить направление. Например на 1 слое все дорожки идут по направлению Х, а на 2 слое по направлению Y, на 3 по Х, на 4 по Y и тд. Как лучше всего сменить направление? Проводим дорожки по 1 слою, на 2 сплошная плоскость земли, и мы переходим с 1 слоя на 3. Потому что поля, которые проходят через это диэлектрическое пространство между 1 и 2 слоями, когда они доберутся до переходного отверстия, эти поля пройдут через отверстие в плоскости земли и пройдут через диэлектрик между 2 и 3 слоями, вообще без какого либо расширения полей. Там не будет разрастания полей, и даже если рядом будут другие переходные отверстия, мы никогда не получим их взаимного влияния. А что, если придётся менять слои на плате с большим количеством слоёв и переходить через два слоя плоскости земли? Лучше всего использовать земляное переходное отверстие между двумя плоскостями, которое находится достаточно близко к сигнальному отверстию (сигнальное красной линией на слайде).

На эту тему провели исследование и пришли к выводу, что с точки зрения ЭМП это приносит значительную пользу. Но с точки зрения других специалистов в этой сфере, с точки зрения целостности сигнала в этом нет необходимости. Но, если не нужны проблемы с помехами или если это чувствительные аналоговые сигналы лучше делать так. Если это чувствительный аналоговый сигнал, то можно вокруг него разместить 4 земляных отверстия, потому что в аналоговых схемах на высоких частотах обычно достаточно места между всеми элементами для размещения нескольких возвратных переходных. По этой же причине разъёмы SMA имеют 4 переходных отверстия, они должна сдерживать поля. Для цифрового сигнала достаточно разместить одно возвратное поблизости. У Рика был опыт, когда он проектировал очень большую плату, где были тысячи компонентов и места для возвратных переходных для каждого сигнала там не было. Они объединили сигнальные переходы в группы и поместили одно возвратное переходное между ними и несколько вокруг каждой группы сигнальных переходных. Идея в том, чтоб сдерживать поля, если этого не делать, поля будут растекаться по диэлектрику. Следует иметь ввиду ещё одну вещь. Многие инженеры хотят закрыть маской все отверстия, которые не являются отверстиями для компонентов, можно ли заполнять из непроводящим наполнителем? Их можно заполнять их хоть арахисовым маслом, если пожелаете :). Самое главное в каком диэлектрическом пространстве находятся поля. Оно находится между переходными отверстиями и создают ток в металле переходных отверстий, внутри переходного отверстия нет тока.

Что если нужно провести сигнал через слой питания и через слой земли? Конденсатор поможет справиться с низкочастотной энергией, но с высокочастотной не справится. Правило номер один: чтобы справиться этой проблемой слои должны находиться очень близко друг к другу. Если они находятся на расстоянии не более 0,2 мм друг от друга, то комбинация из близкорасположенных слоёв в комбинации с конденсатором позволит вам передать энергию без чрезмерного растекания полей вокруг. Но что, если слои расположены очень далеко друг от друга, например внутренние слои четырёхслойной платы. Правило номер два: не подключать питание и землю ко второму и третьему слоям четырёхслойной печатной платы, это один из худших слоёв печатной платы. Также не подключайте питание и землю ко второму и пятому слою шестислойной платы. Это трагическая ошибка, которую не стоит совершать, потому что слои настолько далеко расположены друг от друга, что сигналы, переходящие с одного слоя на другой, не смогут на них опереться. В данном случае поля будут растекаться на сантиметры вокруг. Сколько ещё переходных отверстий попадут в эту область со всеми этими квадратными сантиметрами растёкшихся полей? У вас поля от переходного отверстия А попадут переходные Б, В, Г, Д, а в зону полей от переходного Б попадут А, В, Г и Д и так далее. Все эти переходные отверстия будут соединять все свои поля друг с другом. И все эти цепи будут создавать синфазные токи друг в друге из-за распространения полей. Создаст ли это проблемы с целостностью сигнала? Возможно, для очень чувствительного аналогового сигнала и для цифрового сигнала очень высокой частоты. Но в низкочастотном цифровом сигнале нет, ниже нескольких гигагерц плевать. С точки зрения целостности сигнала пофигу. Но если вы заботитесь о помехах, а вам лучше о них позаботиться, вам это не надо.

Пример с проблемой с шестислойной платой. На картинке отображена структура слоёв шестислойной печатной платы. Сигналы разведены на 1, 3, 4 и 6 слоях, питание на 2 слое и земля на 5. И тут проблема с электромагнитными помехами. После долгих размышлений инженер, занимающийся вопросом, решил, что проблема связана с распределением питания и он посоветовал увеличить количество слоёв. На что создатель платы ответил: нет, руководство никогда на это не пойдёт. На что инженер предложил вот что: залейте медью свободные участки на 1 сигнальном слое и ещё сделайте то же на 3 сигнальном слое. И соедините все эти получившиеся полигоны как можно большим числом отверстий с плоскостью земли. Затем нужно также залить медью 4 и 6 слой и затем соедините также с плоскостью питания. До того, как они это сделали, у них было 500 пФ общей ёмкости в самой плате, она создавалась плоскостями земли и питания. Между этими слоями было расстояние около 1,27 мм, этого слишком много чтобы обеспечить приемлемую ёмкость. После добавления одних только плоскостей без фильтрующих конденсаторов ёмкость выросла до 4100 пФ. И это улучшило спектральную сигнатуру ЭМП за счёт лучшего распределения питания, потому что они получили бОльшую ёмкость на высоких частотах. Физические конденсаторы, которые мы устанавливаем на платах очень помогают в передаче низкочастотной энергии. Но на высоких частотах конденсаторы мало что делают. Значит у нас должны быть какие-то средства улучшения подачи питания на чипы в самой плате без учёта фильтрующих конденсаторов. И дополнительные полигоны очень хорошо помогают. И помимо этого, даже важнее, чем увеличение ёмкости они снизили индуктивность плоскостей в 8 раз. Потому что индуктивность — это свойство расстояния. Вместо того, чтобы иметь питание и землю на 2 и 5 слоях, теперь у них были питание и земля на 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 5 и 6. И у них появилось множество параллельных и близкорасположенных структур питания и земли. Это были небольшие участки, но близко расположенные друг к другу и это резко снижало индуктивность. На втором слайде спектральная сигнатура ЭМП до и после заливки медью. Зелёным цветом до заливки медью, а синим – после. Характеристики ЭМП снизились на 8-10 дБ. Это даже хорошо повлияло на производство, потому что вы платите за удалённую медь, а не за медь, что осталась. Чем больше меди вы сможете оставить на плате, тем дешевле она вам обойдётся (зная как делают платы что-то я в этом сильно сомневаюсь).

Посмотрим теперь на 4-слойные платы. Одна из плат в проектировании не прошла тесты на ЭМП. Сигнальные слои и компоненты были на верхнем слое, а питание и земля на 2 и 3 слоя и сигналами и компонентами на нижнем слое. ЭМП превышали нормы на 8-10 дБ. Решили переместить сигналы со слоя 1 на слой 2 и также переместить сигналы с нижнего слоя выше на слой 3. Потом они залили полигонами всё свободное пространство вокруг компонентов на 1 и 4 слоях. И во всех местах, где полигоны земли на 1-м слое пересекались с полигонами на 4 слое их соединили множеством переходных отверстий через всю толщину платы. Затем подключили все сигналы к микросхемам с помощью сигнальных переходных. До этой работы 1 слой был очень сильно забит компонентами и сигналами, но когда сигналы переместили на 2 слой и ни один из этих компонентов уже не мешал, осталось очень много свободного пространства. И всё это пространство залили медью, которую подключили к питанию. И когда это сделали уровень ЭМП снизился на 15-16 дБ. Причина этому кроется в нескольких вещах. Во-первых, сигнальные дорожки переместились на внутренние слои. Таким образом они стали полосковыми линиями, а не микрополосками, как было до этого. А самая главная причина в том, что были сигналы, которые переходили между 1 и 4 слоями, что означает, что они опирались на питание на 1 слое и на землю на другом. А когда ваш сигнал переходит с 1-го слоя на 4-й, вы должны переместить поля из диэлектрика между 1 и 2 на диэлектрик между 3 и 4. И как это сделать с питанием на 2 слое и с землёй на 3? А никак. Поля распространяются повсюду, большое количество высокочастотной энергии вызывает перекрёстное влияние, и мы получаем проблемы с ЭМП на запредельных уровнях. Поэтому не стоит делать питание и землю на 2 и 3 слоях. После проделанной работы все сигналы имеют опору на землю на 1 и 4 слоях. Все поля находятся между сигнальными дорожками и землёй. Поэтому, когда сигналу надо было сменить слой, просто делали переходное земли рядом с сигнальным переходным и, вуаля, проблема решена. Но это возможно сделать только с платами с низкой плотностью монтажа. Если много компонентов и сигналов, не получится развести 4-слойную плату с такой структурой, скорее всего придётся остановиться на варианте структуры на картинке слева.

Это импеданс плоскостей 4-слойной платы с питанием и землёй на 2 и 3 слое. Как только структуру этой платы переработали на структуру А и измерили импеданс шины питания она превратилась из того, что отображено серым цветом в то, что отображено красным. Это логарифмическая шкала. Это улучшение примерно на 60-80% за счёт снижения импеданса на всех частотах, на которых производилось измерение. Но всё равно такая структура слоёв не является идеальной. О действительно хорошей структуре с низким импедансом можно говорить только на 10-12-слойной плате.

Шестислойные платы, которые стоит избегать. Вариант слева, тот который когда-то разрабатывал Рик и он уже рассказывал почему у него были проблемы с ЭМП.

А слева те, который были у инженеров пунктом выше до того, как они добавили полигоны. Стоит подумать откуда берётся питание. Когда Рик спрашивал у инженеров откуда берётся питание, они отвечали: со слоя питания. Нет. Питание поступает из диэлектрического пространства между силовой и земляной плоскостями. В данном случае это пространство между 2 и 5 слоями. Что ещё находится в этом пространстве, пару сигнальных слоёв? Угадайте тогда, где находятся их поля. В том же диэлектрическом пространстве откуда поступает энергия. И эти поля будут мешать друг другу. И это не все проблемы, которые были с платой, потому что, когда добавили полигоны и тем улучшили подачу энергии, то избавились и от этой проблемы. Поскольку, как только они залили медные участки, как на этой плате справа. Питание начало поступать не из пространства между 2 и 5 слоями, а из диэлектрического пространства между всеми парами слоёв. Таким образом мы получаем питание из пяти диэлектрических пространств между плоскостями, расположенными близко друг к другу. И это качественно улучшает распределение питания, но не только его. Поля сигналов со слоёв 3 и 4 теперь находятся сбоку от области откуда приходит питание. Таким образом, энергия, поступает из пространства между 2 и 3 слоем, а сигнальные поля находятся чуть в стороне вместо того, чтобы смешиваться, когда всё находится между 2 и 5 слоями (из видео плохо понятно что он имеет ввиду, возможно то, что поля питания и сигналов разделены и располагаются рядом за счёт переходных отверстий, а не в вперемешку). Разница в надёжности просто небо и земля.

Серым выделен импеданс плоскостей шестислойной платы с питанием и землёй на 2 и 5 слоях. А для платы справа из прошлого пункта импеданс выделен красным цветом. Импеданс в 10 раз ниже. Всё благодаря правильной структуре и организации земли.

Следующий кейс 4-слойная плата, которая не проходит тестирование на ЭМП, руководства готово разрешить перейти на шестислойную, что можно сделать? Нужно перенести слои с 1 по 4 на слои со 2 по 5, сделать верхний слой слоем питания, нижний слоем земли, залить медью 2 и 5 сигнальные слои и подключите к слоям питания и земли с помощью множества переходных отверстий. Но это не экономичное решение, 6-слойная плата всего с двумя сигнальными слоями. Инженеры в итоге переработали 4-слойную плату, чтобы она прошла тестирование, но они использовали этот вариант, чтоб отгрузить продукт вовремя. По середине плата из пункта с аналоговым усилителем, у них была шестислойная плата с тремя сигнальными слоями и именно к такой структуре они пришли, чтобы решить свою проблему. Тут три сигнальных слоя 1, 3, 5 и с землёй на 2, 4, 6. Это идеально, всё имеет опору на землю. Если переходить от слоя к слою, то нужно перебросить земляное переходное. Если переходите с 1 на 3 или с 3 на 5, то не нужно пробрасывать земляное, но если с 1 на 5, то нужно переходное. Также за счёт заливок медью эта плата будет легка в производстве, как как количество меди на всех слоях сбалансировано. Справа ещё одна хорошая шестислойная плата. Всё на этой плате опирается на землю, а заливки полигонами питания позволит обеспечить хорошее распределение питания.

Подытожим. Подход, который обсуждался в 4-х и 6-слойных платах можно легко переложить и на другие структуры плат и всё это работает вне зависимости количества слоёв. Главное, что нужно - это позаботиться о том, чтобы сигналы каждого слоя могли опираться либо на слой питания, либо на слой земли. И также вы не должны переходить с опоры на питание на опору на землю, если только слой питания не находится очень близко к слою земли.

Это рекоммендованный стек слоёв восьмислойной платы от одной крупной IC-компании. На ней был установлен микропроцессор на 1300 контактов и они сказали, что единственный способ развести дорожки от этого процессора с минимальным количеством слоёв это вот такая восьмислойная плата. И скорее всего с достаточной внутренней ёмкостью кристалла и корпуса им удалось заставить эту штуку работать, но нет никакой надежды на то, что эта штука сможет пройти тестирование на ЭМП. Откуда берётся энергия на первом питании? Только не говорите «из плоскости питания». Она поступает из диэлектрического пространства между 1 и 2 слоями питания, а это значит где будут обратные  токи от питания №1? Они будут во втором питании. Некоторая их часть также будет находиться в слое земли, но посмотрите что находится выше питания 1. Там сигнальный слой, что означает, что питание, опирающееся на плоскость земли будет создавать помехи сигнальным полям, которые находятся в этом же диэлектрическом пространстве. Это значит, что это очень плохой стек слоёв, если вы задумываетесь о помехах. Но с точки зрения целостности сигналов вам сойдёт это с рук.

Десятислойная плата, с которой вообще всё не так. Посмотрите на центральную часть, здесь слой питания на 7 слое, над ним идёт слой с сигналами и питание, затем опять сигналы и питание, затем питание, то есть у нас от 4 до 7 слоя 4 слоя питания подряд. Это очень плохо. Нельзя размещать силовой слой на плате, не имея рядом земляной слой.

Это 12-слойная плата с нормальной структурой. 1 слой опирается на земляную плоскость на 2 слое. Питание и земля на 2 и 3. Потому что так они ближе к поверхности, где находятся микросхемы. Избавляемся от излишней индуктивности переходных отверстий при подключении питания к чипам. Дальше у нас есть сигнальные слои между слоями питания и земли, но в то же время везде есть слой земли, на который и опираются все сигналы. Кроме того, плоскость земли идёт рядом с соседней плоскостью питания, чтобы энергия проходила в этом диэлектрическом пространстве. Так что питание не мешает сигнальным слоям. Если хотите минимизировать затраты, не делайте эту плату толщиной 1.6 мм. Чтобы обеспечить допустимую в производстве толщину диэлектриков, мы делайте эту плату от 1.9 до 2.0 мм.