談到信號回流的問(wèn)題。這里把我對電源回流的理解跟大家分享一下，其中介紹的一些處理方法在國內外很多高速PCB電路里都有應用的。
這里簡(jiǎn)單構造了一個(gè)“場(chǎng)景”，結合下圖介紹一下地回流和電源回流以及一些跨分割問(wèn)題。為方便作圖，把層間距放大。
IC1為信號輸出端，IC2為信號輸入端(為簡(jiǎn)化PCB模型，假定接收端內含下接電阻)第三層為地層。IC1和IC2的地均來(lái)自于第三層地層面。頂層右上角為一塊電源平面，接到電源正極。C1和C2分別為IC1、IC2的退耦電容。圖上所示的芯片的電源和地腳均為發(fā)、收信號端的供電電源和地。
在低頻時(shí)，如果S1端輸出高電平，整個(gè)電流回路是電源經(jīng)導線(xiàn)接到VCC電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入IC1，然后從S1端出來(lái)，沒(méi)第二層的導線(xiàn)經(jīng)R1端進(jìn)入IC2，然后進(jìn)入GND層，經(jīng)紅色路徑回到電源負極。
但在高頻時(shí)，PCB所呈現的分布特性會(huì )對信號產(chǎn)生很大影響。我們常說(shuō)的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問(wèn)題。當S1到R1的信號線(xiàn)中有增大的電流時(shí)，外部的磁場(chǎng)變化很快，會(huì )使附近的導體感應出一個(gè)反向的電流。如果第三層的地平面是完整的地平面的話(huà)，那么會(huì )在地平面上會(huì )有一個(gè)藍色虛線(xiàn)標示的電流；如果TOP層有一個(gè)完整的電源平面的話(huà)，也會(huì )在頂層有一個(gè)沿藍色虛線(xiàn)的回流。此時(shí)信號回路有最小的電流回路，向外輻射的能量最小，耦合外部信號的能力也最小。(高頻時(shí)的趨膚效應也是向外輻射能量最小，原理是一樣的。)
由于高頻信號電平和電流變化都很快，但是變化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和離芯片最近的退耦電容取電的。當C1足夠大，而且反應又足夠快(有很低的ESR值，通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠低于鉭電容。)，位于頂層的橙色路徑和位于GND層的紅色路徑可以看成是不存在的(存在一個(gè)和整板供電對應的電流，但不是與圖示信號對應的電流)。
因此，按圖中構造的環(huán)境，電流的整個(gè)通路是：由C1的正極->IC1的VCC->S1->L2信號線(xiàn)->R1->IC2的GND->過(guò)孔->GND層的黃色路徑->過(guò)孔->電容負極�？梢钥吹�，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì )感應出磁場(chǎng)，同時(shí)，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來(lái)的干擾。如果和圖中信號為一條時(shí)鐘信號，并行有一組8bit的數據線(xiàn)，由同一芯片的同一電源供電，電流回流途徑是相同的。如果數據線(xiàn)電平同時(shí)同向翻轉的話(huà)，會(huì )使時(shí)鐘上感應一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線(xiàn)沒(méi)有良好的匹配的話(huà)，這個(gè)串擾足以對時(shí)鐘信號產(chǎn)生致命影響。這種串擾的強度不是和干擾源的高低電平的絕對值成正比，而是和干擾源的電流變化速率成正比，對于一個(gè)純阻性的負載來(lái)說(shuō)，串擾電流正比于dI/dt=dV/(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (電流變化速率)、dV(干擾源的擺幅)和R(干擾源負載)都是指干擾源的參數(如果是容性負載的話(huà)，dI/dt是與T10%-90%的平方成反比的。)。從式中可以看出，低速的信號未必比高速信號的串擾小。也就是我們說(shuō)的：1kHZ的信號未必是低速信號，要綜合考慮沿的情況。對于沿很陡的信號，是包含很多諧波成分的，在各倍頻點(diǎn)都有很大的振幅。因此，在選器件的時(shí)候也要注意一下，不要一味選開(kāi)關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會(huì )增加串擾以及EMC問(wèn)題。
任何相鄰的電源層或其它的平面，只要在信號兩端有合適的電容提供一個(gè)到GND的低電抗通路，那么這個(gè)平面就可以作為這個(gè)信號的回流平面。在平常的應用中，收發(fā)對應的芯片IO電源往往是一致的，而且各自的電源與地之間一般都有0.01-0.1uF的退耦電容，而這些電容也恰恰在信號的兩端，所以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的。而借用其他的電源平面做回流的話(huà)，往往不會(huì )在信號兩端有到地的低電抗通路。這樣，在相鄰平面感應出的電流就會(huì )尋找最近的電容回到地。如果這個(gè)“最近的電容”離始端或終端很遠的話(huà)，這個(gè)回流也要經(jīng)過(guò)“長(cháng)途跋涉”才能形成一個(gè)完整的回流通路，而這個(gè)通路也是相鄰信號的回流通路，這個(gè)相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的，等效為信號之間的串擾。
對于一些無(wú)法避免的跨電源分割的情況，可以在跨分割的地方跨接電容或RC串聯(lián)構成的高通濾波器(如10歐電阻串680P電容，具體的值要依自己的信號類(lèi)型而定，即要提供高頻回流通路，又要隔離相互平面間的低頻串擾)。這樣可能會(huì )涉及到在電源平面之間加電容的問(wèn)題，似乎有點(diǎn)滑稽，但肯定是有效的。如果一些規范上不允許的話(huà)，可以在分割處兩平面分別引電容到地。
對于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號兩端適當增加幾個(gè)小電容到地，提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現。因為終端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據了。 |
