在现代电子设计中，PCB（印刷电路板）作为电子设备的核心组件，其设计的优劣直接影响到设备的性能和可靠性。四层板作为多层板设计中的常见类型，其分层策略尤为重要。本文将深入探讨PCB四层板的分层原则、典型层叠结构配置，以及如何实现信号层与电源地平面的最佳配比，以确保信号完整性和电源完整性，同时优化电磁兼容性（EMC）。

四层板分层原则

 （一）信号层与地平面的紧密耦合

信号层应尽可能与地平面相邻，以减少信号回流路径的面积，从而降低电磁干扰（EMI）和信号延迟。这种紧密耦合的设计有助于提高信号的稳定性和完整性。

 （二）电源层与地平面的合理布局

电源层应与地平面紧密相邻，以形成低阻抗的电源分配系统。这种布局可以有效减少电源噪声，提高电源完整性。同时，电源层与地平面之间的间距应尽量减小，以增加耦合电容，进一步降低电源阻抗。

 （三）层叠结构的对称性

为了减少层间分层和翘曲等问题，四层板的层叠结构应尽可能保持对称。这意味着顶层和底层的材料厚度和特性应尽量一致，以确保整个PCB的结构稳定性。

 （四）高速信号的处理

对于高速信号，应尽量在表层走线，并确保其与地平面紧密相邻。如果必须在内层走线，应采用带状线结构（GND-Signal-GND），以控制阻抗波动并减少串扰。

 典型层叠结构配置

 （一）方案一：信号-地-电源-信号（SGSL）

这种结构适用于大多数高速数字电路，信号层与地平面紧密耦合，电源层与地平面相邻，形成低阻抗电源分配系统。

 （二）方案二：信号-地-信号-电源（SGSP）

这种结构适用于需要更高信号完整性的电路，信号层与地平面紧密耦合，电源层位于底层，提供稳定的电源分配。

高速信号跨分割处理

 （一）禁止跨分割的信号类型

- 时钟信号：时钟信号作为系统的心跳，其稳定性至关重要，禁止跨分割。

- 复位信号：复位信号影响系统的初始化过程，同样禁止跨分割。

- 100MHz以上信号：高速信号对噪声敏感，跨分割会增加干扰，因此禁止。

- 关键总线信号：如地址总线、数据总线等，跨分割可能影响数据传输的可靠性，禁止跨分割。

 （二）差分信号的处理

- 对地平衡：差分信号必须保持对地平衡，避免单线跨分割。

- 跨分割方向：当必须跨分割时，尽量使差分信号线垂直跨分割，以减少耦合干扰。

 （三）高频返回途径

- 直接回路：所有信号的高频返回途径应直接位于相邻层信号线的正下方，以减少电感耦合和电磁辐射。

- 实体层设置：在信号线下方设置实体层（如GND平面），为信号提供直接回路，显著提升信号完整性。

 （四）不可避免跨分割的处理

- 回路电容：当走线与层分割交叉不可避免时，应在信号线与层分割交叉点附近放置0.01uF回路电容，以提供高频信号的返回路径。

- 电容布置：回路电容应尽可能靠近交叉点，以减少高频信号的损失和干扰。

 微带线与带状线过渡设计

 （一）过渡结构设计

在毫米波频段时，微带线和带状线电路的损耗将增加。因此，需要在微带线或带状线周围加上金属屏蔽通孔，起到约束微波信号能量传输，降低能量损耗的作用。

 （二）仿真优化

目前的垂直过渡结构根据传输线贴片形状分类，有椭圆贴片、圆形贴片、方形贴片等；根据过渡方式分类，有金属通孔式和电磁耦合式 2 种。电磁耦合式传输是最近几年新提出的一种信号垂直过渡形式，它避免了金属通孔式传输可能导致的高成本及电路复杂问题，但也正因为其耦合传输的本质，只能进行 2 根相距较近的传输线间的信号垂直传输。

 （三）结构性能

本文设计的过渡结构如图 1 所示，采用 Taconic 的 TSM DS3 材料作为介质板材，其相对介电常数为 2.94，损耗角正切为 0.001 4。结构共有 4 层铜皮，从顶层到底层的 4 层铜皮 L1~L4 分别为微带线层、公共地层、带状线层及底部地层。上下 2 根传输线间通过一根半径为 Via_r 的金属柱体垂直相连。可以通过改变传输线的宽度 W1 和 W2 来调整微带线和带状线的阻抗。通过调节第 2 层和第 4 层的耦合孔 R1 和 R2，以及水滴形贴片的半径 R5、R6 来改善结构的回波损耗。

在PCB四层板设计中，高速信号跨分割处理和微带线与带状线过渡设计是确保信号完整性和系统性能的关键。通过合理的分层策略、跨分割处理方法以及过渡结构设计，可以显著提高电路的稳定性和可靠性。未来，随着电子设备的不断小型化和高性能化，这些设计方法将在更多领域发挥重要作用。