雖然在數(shù)字電路中，信號(hào)通常被描述為單向流動(dòng)，從一個(gè)邏輯門傳輸?shù)搅硪粋€(gè)邏輯門，但實(shí)際上，電子確實(shí)是在電路中通過電流的形式傳輸?shù)模粌H僅是電壓的變化。

即使在驅(qū)動(dòng)器和接收器都被指定為電壓模式設(shè)備的情況下，電流仍然是存在的，并且在信號(hào)傳輸過程中扮演著重要的角色。這是因?yàn)樵趥鬏斁€上存在一定的電容和電阻，當(dāng)數(shù)字信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，電流會(huì)在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間流動(dòng)，而不僅僅是在信號(hào)源和負(fù)載之間。這種電流的存在會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸線上產(chǎn)生電壓降，從而影響信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 回流的基本概念

數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號(hào)的傳播是從一個(gè)邏輯門向另一個(gè)邏輯門，信號(hào)通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動(dòng)的，許多數(shù)字工程師因此認(rèn)為回路通路是不相關(guān)的，畢竟，驅(qū)動(dòng)器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢！實(shí)際上，基本電路理論告訴我們，信號(hào)是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動(dòng)，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動(dòng)，電路中任意的信號(hào)都以一個(gè)閉合回路的形式存在。對(duì)于高頻信號(hào)傳輸，實(shí)際上是對(duì)傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。

這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號(hào)頻率相當(dāng)，信號(hào)頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對(duì)的輸入信號(hào)響應(yīng)，而是對(duì)輸入信號(hào)和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng)。單點(diǎn)終結(jié)的電路對(duì)引入信號(hào)和其邏輯地的參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動(dòng)和信號(hào)路徑上的干擾是同樣重要的。

邏輯門對(duì)輸入引腳和指定的參考引腳進(jìn)行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個(gè)是所指定的參考引腳(對(duì)于TTL，通常是負(fù)電源，對(duì)于ECL通常是正電源，但是并不是全都如此)，就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號(hào)的抗干擾能力就能對(duì)地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果。

2 回流的影響

地平面在電路板上通常被設(shè)計(jì)成一層連續(xù)的銅箔，作為電路中所有地連接的共同回流路徑。在數(shù)字電路中，地平面的作用遠(yuǎn)不止于提供地連接。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)邏輯門傳輸?shù)搅硪粋€(gè)邏輯門時(shí)，這些信號(hào)會(huì)通過地平面進(jìn)行回流，從而形成一個(gè)閉合的電路。

電源平面通常位于地平面的另一側(cè)，用于提供電路中所有電源連接的回流路徑。與地平面類似，電源平面也扮演著信號(hào)回流的重要角色。在數(shù)字電路中，特別是在高速和高頻率的數(shù)字系統(tǒng)中，電源平面的設(shè)計(jì)變得尤為重要。在這些系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸速度非常快，因此對(duì)于電源回流路徑的設(shè)計(jì)需要更加精細(xì)。數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號(hào)和低頻信號(hào)的回流通路是不相同的，低頻信號(hào)回流選擇阻抗路徑，高頻信號(hào)回流選擇感抗的路徑。

當(dāng)電流從信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，流經(jīng)信號(hào)線，注入信號(hào)的接收端，總有一個(gè)與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過敷銅平面，流向信號(hào)源，與流經(jīng)信號(hào)線上的電流構(gòu)成閉合回路。

數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號(hào)和低頻信號(hào)的回流通路是不相同的，低頻信號(hào)回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號(hào)回流選擇感抗最低的路徑。

當(dāng)電流從信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，流經(jīng)信號(hào)線，注入信號(hào)的接收端，總有一個(gè)與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過敷銅平面，流向信號(hào)源，與流經(jīng)信號(hào)線上的電流構(gòu)成閉合回路。這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號(hào)頻率相當(dāng)，信號(hào)頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對(duì)絕對(duì)的輸入信號(hào)響應(yīng)，而是對(duì)輸入信號(hào)和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng)。單點(diǎn)終結(jié)的電路對(duì)引入信號(hào)和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動(dòng)和信號(hào)路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對(duì)輸入引腳和指定的參考引腳進(jìn)行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個(gè)是所指定的參考引腳（對(duì)于TTL，通常是負(fù)電源，對(duì)于ECL通常是正電源，但是并不是全都如此），就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號(hào)的抗干擾能力就能對(duì)地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果。

當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí)(如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡(jiǎn)稱地彈)。而當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們對(duì)數(shù)字芯片的切換狀態(tài)進(jìn)行分析，采取措施控制回流方式，達(dá)到減小環(huán)繞區(qū)域，輻射程度最小的目的。

實(shí)例解釋：

IC1為信號(hào)輸出端，IC2為信號(hào)輸入端（為簡(jiǎn)化PCB模型，假定接收端內(nèi)含下接電阻），第三層為地層。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。TOP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(hào)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(dǎo)線接到VCC電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入IC1，然后從S1端出來，經(jīng)第二層的導(dǎo)線經(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(fù)極。

在高頻時(shí)，PCB所呈現(xiàn)的分布特性會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號(hào)中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問題。當(dāng)S1到R1的信號(hào)線中有增大的電流時(shí)，外部的磁場(chǎng)變化很快，會(huì)使附近的導(dǎo)體感應(yīng)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，那么會(huì)在地平面上產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流，如果TOP層有一個(gè)完整的電源平面的話，也會(huì)在TOP層有一個(gè)沿藍(lán)色虛線的回流。此時(shí)信號(hào)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(hào)的能力也最小。（高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)也是向外輻射能量最小，原理是一樣的。）

由于高頻信號(hào)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(dāng)C1足夠大，而且反應(yīng)又足夠快（有很低的ESR值，通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)的電流，但不是與圖示信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流）。

因此，按圖中構(gòu)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(hào)線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負(fù)極。可以看到，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，同時(shí)，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號(hào)為一條時(shí)鐘信號(hào)，并行有一組8bit的數(shù)據(jù)線，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(shù)據(jù)線電平同時(shí)同向翻轉(zhuǎn)的話，會(huì)使時(shí)鐘上感應(yīng)一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線沒有良好的匹配的話，這個(gè)串?dāng)_足以對(duì)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生致命影響。這種串?dāng)_的強(qiáng)度不是和干擾源的高低電平的絕對(duì)值成正比，而是和干擾源的電流變化速率成正比，對(duì)于一個(gè)純阻性的負(fù)載來說，串?dāng)_電流正比于dI/dt=dV /(T?10%-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(fù)載)都是指干擾源的參數(shù)(如果是容性負(fù)載的話，dI/dt是與T?10%-90%的平方成反比的。)。從式中可以看出，低頻的信號(hào)未必比高速信號(hào)的串?dāng)_小。也就是我們說的：1KHz的信號(hào)未必是低速信號(hào)，要綜合考慮沿的情況。對(duì)于沿很陡的信號(hào)，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，不要一味選開關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會(huì)增加串?dāng)_以及EMC問題。

任何相鄰的電源層或其它的平面，只要在信號(hào)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(hào)的回流平面。在平常的應(yīng)用中，收發(fā)對(duì)應(yīng)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(hào)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，往往不會(huì)在信號(hào)兩端有到地的低電抗通路。這樣，在相鄰平面感應(yīng)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(yuǎn)的話，這個(gè)回流也要經(jīng)過“長(zhǎng)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(hào)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(hào)之間的串?dāng)_。

對(duì)于一些無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(gòu)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(hào)類型而定，即要提供高頻回流通路，又要隔離相互平面間的低頻串?dāng)_)。這樣可能會(huì)涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點(diǎn)滑稽，但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話，可以在分割處兩平面分別引電容到地。

對(duì)于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號(hào)兩端適當(dāng)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(xiàn)。因?yàn)榻K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(jù)了。

回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。

3 回流路徑理論知識(shí)

下圖中是印制板中的一條線路，在導(dǎo)線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號(hào)的導(dǎo)線，從驅(qū)動(dòng)端到接收端，實(shí)際上，電流總是在環(huán)路上才能流動(dòng)，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，回路途徑變得難于估計(jì)，要對(duì)他們進(jìn)行控制有一定的難度。

如圖3.1所示， PCB板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理，當(dāng)突變的電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，將在空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并對(duì)其他導(dǎo)線造成影響，這就是我們通常所說的輻射，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。

圖3.1 印制板上的差模輻射

這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場(chǎng)。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬它，設(shè)電流為I,面積為S的小環(huán)，在自由空間為r的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

E――電場(chǎng)（V/m）

f――頻率

S――面積

I――電流（A）

r――距離（m）

――測(cè)量天線與輻射平面的夾角

式3.1適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，實(shí)際上我們的產(chǎn)品是在地面進(jìn)行而非自由空間，附近地面的反射會(huì)使測(cè)得的輻射增加6dB，考慮到這一點(diǎn)，式3.1必須乘2，如果對(duì)地面反射加以修正并假設(shè)為最大輻射方向，則式3.1為

由式3.2知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。

印刷電路板中返回電流的路徑是與電流的頻率密切相關(guān)的。根據(jù)電路基本知識(shí)，直流或低頻電流總是流向阻抗最小的方向；而高頻的電流在電阻一定的情況下，總是流向感抗最小的方向。

如果不考慮過孔在敷銅平面上形成的孔、溝的影響，阻抗最小的路徑，也就是低頻電流的路徑，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖3.2。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān)。

圖3.2 PCB敷銅平面上高頻電流路徑

對(duì)傳輸線來說，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號(hào)布線的正下方的敷銅平面上，如圖3.3。這樣的返回路徑使得整個(gè)回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號(hào)形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場(chǎng)強(qiáng)度（或接收空間輻射的能力）最小。

對(duì)于比較長(zhǎng)、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號(hào)返回電流流經(jīng)范圍是以信號(hào)布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號(hào)布線中心軸距離越遠(yuǎn)，電流密度越小，

如圖3.3。這一關(guān)系近似滿足式3.3 [4]：

式3.3

其中， 為原始信號(hào)電流，單位為“A，安培”；

為信號(hào)布線與敷銅平面的距離，單位為“in.，英寸”；

為敷銅平面上的點(diǎn)到信號(hào)線的垂直距離，單位為“in.，英寸”；

是這一點(diǎn)上的電流密度，單位為“A/in.，安培每英寸”。

圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖

根據(jù)式3.3，表3.1列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。

假設(shè)英寸，則經(jīng)過距離傳輸線0.035英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的13％，具體分到傳輸線的一側(cè)只有6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計(jì)。

3.1小結(jié)：

1．當(dāng)信號(hào)布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時(shí)，信號(hào)返回電流對(duì)敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線局部化的原則，即人為地拉開數(shù)字信號(hào)線、數(shù)字器件與模擬信號(hào)線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數(shù)字信號(hào)返回電流對(duì)模擬電路的干擾。

2．高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號(hào)走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅(qū)動(dòng)端。驅(qū)動(dòng)器信號(hào)走線的終端負(fù)載，跨接在信號(hào)走線和與信號(hào)走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。

3．當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域最小，從而控制輻射程度。

4 回流問題的解決方法

在PCB板上引起回流問題通常有三個(gè)方面：芯片互連，銅面切割，過孔跳躍。下面具體對(duì)這些因素進(jìn)行分析。

4．1 芯片互連引起的回流問題

當(dāng)數(shù)字電路工作時(shí)，將發(fā)生高、低電壓之間的轉(zhuǎn)換，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線。

對(duì)于數(shù)字器件而言，它引腳輸入電阻可以認(rèn)為無窮大，相當(dāng)于開路（即下圖中的i＝0），事實(shí)上，回路電流是通過芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來返回的。以下以集電極輸出電路作為輸出信號(hào)的內(nèi)部電路為例進(jìn)行分析。

4.1.1 驅(qū)動(dòng)端從低電平變化到高電平。

當(dāng)輸出信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相當(dāng)于輸出引腳對(duì)傳輸線輸出一個(gè)電流，由于輸入電阻無窮大，我們認(rèn)為對(duì)于芯片而言，沒有電流從輸入管腿上流入即 ，那么，這個(gè)電流必須返回到輸出芯片的電源管腿上。

①信號(hào)走線與電源平面緊鄰。

驅(qū)動(dòng)端對(duì)信號(hào)走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；

高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的電源平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流直接通過電源平面，從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。

②信號(hào)走線與地平面緊鄰。

驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；

高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的地平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流必須借助在驅(qū)動(dòng)器輸出端的電源平面和地平面的耦合電容，從地平面跨越到電源平面，再從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。

4.1.2 驅(qū)動(dòng)端從高電平變化到低電平，相當(dāng)于輸出引腳吸收傳輸線上的電流。

① 信號(hào)走線與電源平面緊鄰。

負(fù)載對(duì)信號(hào)走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，并通過在驅(qū)動(dòng)器地管腳附近的電源平面和地平面耦合電容，跨越到電源平面，返回負(fù)載端；

高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的電源平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。

② 信號(hào)走線與地平面緊鄰。

負(fù)載對(duì)信號(hào)走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，返回負(fù)載端；高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的地平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。

在驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳、地管腳附近，應(yīng)當(dāng)布放電源平面和地平面的耦合電容，為返回電流提供返回通路，否則，返回電流將尋找最近的電源平面和地平面的耦合途徑進(jìn)行回流（使得回流途徑難以預(yù)知和控制，從而對(duì)其他走線造成串?dāng)_）。

4．2覆銅切割造成的回流問題解決辦法

地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失。如圖所示，回路電流經(jīng)過地流回，由于電阻R1的存在，勢(shì)必在1和2點(diǎn)產(chǎn)生電壓降，電阻越大，壓降越大，引起對(duì)地電平的不一致，如果有地層，可視為線寬無限大，電阻很小的信號(hào)線。回路電流總是從最靠近信號(hào)的地層上流過，當(dāng)?shù)貙硬恢挂粚訒r(shí)，如果信號(hào)處于兩層地平面之間而兩者又完全相同時(shí)，回路電流將等分在兩個(gè)平面上通過。

4.2.1．在布局、布線局部化的條件下，數(shù)字地平面與模擬地平面公用同一塊敷銅平面，即對(duì)數(shù)字地與模擬地不加區(qū)分，數(shù)字電路本身的噪聲并不會(huì)給模擬電路系統(tǒng)帶來額外的噪聲。

4.2.2．在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)中，數(shù)字地與模擬地的共地點(diǎn)選擇在板外，即兩敷銅平面完全獨(dú)立，使得數(shù)字電路與模擬電路之間的信號(hào)線不具備傳輸線的特征，給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。數(shù)字電路與模擬電路采用同一個(gè)電源系統(tǒng)，地平面不加分割，在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在布局模塊化、布線局部化的基礎(chǔ)上，數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊公用一個(gè)完整的、不加分割的電壓參考平面，不但不會(huì)增大數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，由于消除了信號(hào)線“跨溝”問題，能夠大幅度降低信號(hào)間的串?dāng)_和系統(tǒng)的地彈噪聲，提高了前端模擬電路的精度。

4．3過孔造成的回流問題解決辦法

在印制板信號(hào)布線時(shí)，如果是多層板，很多信號(hào)必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，過孔對(duì)回流的影響有兩種：一是過孔形成溝槽阻斷回流，二是過孔造成的回流跳層流動(dòng)。

4.3.1．過孔形成的溝槽

在印制板信號(hào)布線時(shí)，如果是多層板，很多信號(hào)必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，如果過孔在電源或地平面排列比較密集，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)許多過孔連成一片的情況，形成所謂的溝，如圖所示。首先，我們應(yīng)該對(duì)這種情況進(jìn)行分析，看看是否回流需要經(jīng)過溝槽，如果信號(hào)的回流無需經(jīng)過溝槽，就不會(huì)對(duì)回流造成阻礙影響。如果回路電路要繞過這條溝返回，形成的天線效應(yīng)將急劇增加，對(duì)周邊信號(hào)產(chǎn)生干擾。通常我們可以在涂敷數(shù)據(jù)生成后，對(duì)過孔過密而形成溝槽的地方加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離。

4.3.2．過孔形成的跳層現(xiàn)象

下面我們以六層板為例進(jìn)行分析。該六層板有兩個(gè)涂敷層，第二層為地層，第五層為電源層，因此表層和第三層的信號(hào)回流主要在地層；底層和第四層的回流主要在電源層，換層布線時(shí)有以下六種可能：表層第三層，表層第四層，表層底層，第三層第四層， 第三層底層，第四層底層，這六種可能的情況根據(jù)其回路電流的情況可以分為兩大類：回路電流在同一層上和在不同層上流動(dòng)的情況，即是否有跳層現(xiàn)象。

A．回路電流在同一層上流動(dòng)的情況包括表層第三層、第四層底層，如圖所示。在這種情況下，回路電流都在同一層上流動(dòng)，但是，由靜電感應(yīng)原理可知，處于電場(chǎng)中的完整的導(dǎo)體，其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零，所有的電流均在導(dǎo)體表面流動(dòng)，地平面和電源平面實(shí)際上就是這樣一個(gè)導(dǎo)體。我們使用的過孔均為通孔，這些過孔經(jīng)過電源和地平面時(shí)留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過了路徑，因此，這些信號(hào)線的回流途徑是很好的，無需采用措施來改善。

B. 回路電流在不同層上流動(dòng)的情況包括表層第四層、表層底層、第三層第四層、第三層底層。下面以表層底層和第三層第四層為例，分析其回流情況。具有跳層現(xiàn)象的信號(hào)，需要其在過孔密集區(qū)附近增加一些旁路電容，通常為0.1uf的磁片電容，用來提供一個(gè)回流通路的。

5、信號(hào)完整性之信號(hào)回路（驅(qū)動(dòng)路徑與返回路徑）

信號(hào)的傳輸路徑是由兩條方向相反的路徑構(gòu)成，一條是驅(qū)動(dòng)路徑，由發(fā)送端指向接收端；一條是返回路徑，由接收端指向發(fā)送端。在發(fā)送端、傳輸路徑、接收端測(cè)得的信號(hào)電平，實(shí)質(zhì)上是該信號(hào)在驅(qū)動(dòng)路徑和返回路徑上對(duì)應(yīng)位置的電壓值（回路上的壓降）。對(duì)于信號(hào)完整性，兩條路徑同樣重要。

信號(hào)傳輸時(shí)，驅(qū)動(dòng)路徑即為信號(hào)的PCB走線，返回時(shí)則選擇與驅(qū)動(dòng)路徑阻抗最小的路徑。需要注意的時(shí)，這里提到時(shí)時(shí)阻抗而不是電阻，即，返回路徑選擇的是：Z=R+jω omegaωL+1/(jω omegaωC) 最小值的路徑，對(duì)于這條路徑的選擇，除考慮直流電阻外，還需考慮工作頻率下回路的寄生電感和電容所產(chǎn)生的阻抗。

返回路徑的選擇方式如下圖下圖所示：

信號(hào)層的信號(hào)將尋找與自身阻抗最小的層作為參考平面。

與該信號(hào)層距離越近、且平面越完整的層，將被選為參考平面。在參考平面上，返回路徑的選擇仍將遵循與驅(qū)動(dòng)路徑最小的原則：

在A段，參考平面完整，返回路徑完全平行于驅(qū)動(dòng)路徑，因?yàn)檫@樣阻抗最小（距離越靠近，驅(qū)動(dòng)路徑和返回路徑互感增加，反向與自感反向相反，這樣整個(gè)回路的電感最小）。

在B段，參考平面存在一條間隙，該間隙與A段所處區(qū)域的電氣性質(zhì)不同，且與A區(qū)域之間通過無電氣屬性的材質(zhì)隔離，這使得返回路徑被迫繞道而行，因此，在B段，返回路徑與驅(qū)動(dòng)路徑之間阻抗將相對(duì)A段而增大，從而造成信號(hào)路徑上阻抗不連續(xù)。阻抗不連續(xù)將造成信號(hào)電平的突變、反射，而這種突變又會(huì)帶來信號(hào)完整性、EMI等各方面的問題。除阻抗不連續(xù)外，B段存在的另一個(gè)問題是信號(hào)返回路徑上的串?dāng)_，由于間隙的存在，許多驅(qū)動(dòng)路徑與上圖信號(hào)平行的其他信號(hào)，返回時(shí)阻抗最小的路徑都是B段，使B段成為串?dāng)_的集中點(diǎn)，同樣不利于信號(hào)完整性。

一般而言，高速信號(hào)應(yīng)選取完整的地平面作為參考平面，如果受層疊結(jié)構(gòu)限制，高速信號(hào)所在層距離地層較遠(yuǎn)，也應(yīng)選擇完整的電源平面作為參考層。若受布局布線的限制，PCB上無法提供完整的地平面或電源平面，那么至少應(yīng)確保與高速信號(hào)驅(qū)動(dòng)路徑相對(duì)應(yīng)的返回路徑上無電氣間斷，比如在高速信號(hào)平行下方或上方鋪設(shè)參考平面。

5.1 完整的電源平面能做參考平面？

對(duì)于大多信號(hào)而言，信號(hào)必須回到發(fā)送端器件的GND才算完成回路，若參考平面為電源平面，則信號(hào)的參考路徑為電源層，到達(dá)發(fā)送端后，還需由電源平面回到地平面才算完成回路，若電源層與地層之間距離較近，耦合大且阻抗小（事實(shí)上，減小兩層之間介質(zhì)的厚度是減小阻抗最有效的方法），則這種回流方式與以地平面為回流的方式幾乎沒差別。

但若該電源層與底層之間的耦合較差，造成阻抗偏大（例如，該電源層與附近的地層相距較遠(yuǎn)），則該阻抗對(duì)信號(hào)的回流產(chǎn)生一定的影響，對(duì)于這種情況，以電源平面為回流的方式達(dá)不到以地平面為回流方式的效果。

對(duì)于內(nèi)層走線，如果走線一側(cè)是VCC，另一側(cè)是GND，那么哪個(gè)是參考平面？

要弄清楚這個(gè)問題，必須對(duì)了解傳輸線的概念。我們知道，必須使用傳輸線來分析PCB上的信號(hào)傳輸，才能解釋高速電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單的傳輸線包括兩個(gè)基本要素：信號(hào)路徑、參考路徑（也稱為返回路徑）。信號(hào)在傳輸線上是以電磁波的形式傳輸?shù)模瑐鬏斁€的兩個(gè)基本要素構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。從電磁波傳輸?shù)慕嵌葋碇v，信號(hào)路徑和參考路徑一道構(gòu)成了一個(gè)特殊物理結(jié)構(gòu)，電磁波在這個(gè)結(jié)構(gòu)中傳輸。從電流回路角度來講，信號(hào)路徑承載信號(hào)電流，參考路徑承載返回電流，因此參考路徑也稱為返回路徑。

對(duì)于PCB上的表層走線，走線和下面的平面層共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。這里，走線下面的平面到底是什么網(wǎng)絡(luò)屬性無所謂，VCC、GND、甚至是沒有網(wǎng)絡(luò)的孤立銅皮，都可以構(gòu)成這樣的電磁波傳輸環(huán)境，關(guān)鍵在于下面的平面是導(dǎo)體，這就夠了。信號(hào)路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對(duì)于PCB上這一特殊結(jié)構(gòu)，參考路徑是以平面的形式出現(xiàn)的，所以也叫參考平面。從電流回路的角度來說，參考平面承載著信號(hào)的返回電流，所以也叫返回平面。下面的圖顯示了表層走線的場(chǎng)分布和電流分布。這里參考平面的作用應(yīng)該很清楚了：作為電磁波傳輸物理環(huán)境的一部分（從電磁波傳輸角度）、作為電流返回路徑（從電流回路角度）。

如果搞懂了上面的邏輯，那么內(nèi)層走線的參考平面在哪就很清楚了，走線、上方平面、下方平面3者共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，所以上下兩個(gè)平面都是信號(hào)的參考路徑，也就是參考平面，從下面的場(chǎng)分布圖中可以很清楚的看到物理環(huán)境和場(chǎng)分布的關(guān)系。從構(gòu)成電流回路的角度來看，下圖的電流分布圖也很清晰的顯示出返回電流的分布，如果兩個(gè)平面和走線之間的間距近似相等，那么兩個(gè)平面上的返回電流也近似相等，此時(shí)，兩個(gè)平面同樣重要。從這個(gè)角度也能很好的理解兩個(gè)平面都是參考平面。如果還是無法理解為什么兩個(gè)平面都是參考平面，不防好好看看下面的這個(gè)圖，無論從哪個(gè)方面來看，兩個(gè)平面是完全對(duì)稱的，為什么還糾結(jié)哪個(gè)是參考平面，如果一個(gè)是，那么另一個(gè)為什么不是？

理解參考平面的最直接的方法就是“構(gòu)成電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境”。

5.2 差分對(duì)信號(hào)是否需要參考平面？

對(duì)于差分對(duì)信號(hào)，對(duì)內(nèi)兩信號(hào)互為對(duì)方提供返回路徑，因此差分對(duì)內(nèi)兩信號(hào)之間的耦合非常重要。既然如此，是否可以說差分對(duì)與附近參考平面之間無需耦合？答案是否定的，受限于器件工藝、PCB走線等因素，對(duì)內(nèi)兩信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)完全的對(duì)稱，不可避免地存在共模分量，這部分共模分量需要通過參考平面實(shí)現(xiàn)回流，因此，對(duì)于差分對(duì)信號(hào)而言，與參考平面地緊耦合也同樣重要。

信號(hào)換層對(duì)返回路徑地影響

上圖為常見地八層板層疊結(jié)構(gòu)，從右下角看起，信號(hào)經(jīng)過四次換層，假設(shè)兩電源層地網(wǎng)絡(luò)相同（比如都是3.3V），各段返回路徑說明如下：

A段：驅(qū)動(dòng)路徑位于信號(hào)層8，其最近地參考層是電源層2，因此，返回路徑A段位于電源層2.

B段：驅(qū)動(dòng)路徑發(fā)生換層，由信號(hào)層3換到信號(hào)層8，與信號(hào)層3最近地參考層是電源層1，換層前后地網(wǎng)絡(luò)屬性相同，因此，返回路徑可借助信號(hào)驅(qū)動(dòng)路徑換層點(diǎn)附近地電源過孔實(shí)現(xiàn)。

C段：驅(qū)動(dòng)路徑位于信號(hào)層3，電源層1作為其參考層。

D段：驅(qū)動(dòng)路徑發(fā)生了換層，由信號(hào)層7換到信號(hào)層3，與信號(hào)層7最近地參考層是電源層2，換層前后參考層地網(wǎng)絡(luò)屬性相同，與B段一樣，返回路徑借助驅(qū)動(dòng)路徑附近電源過孔實(shí)現(xiàn)。

E段：驅(qū)動(dòng)路徑位于信號(hào)層7，電源層2作為其參考層。

F段：驅(qū)動(dòng)路徑發(fā)生換層，由信號(hào)層5換到信號(hào)層7，與信號(hào)層5最近地參考是地層2，換層前后參考層網(wǎng)絡(luò)屬性不同，返回路徑無法借助過孔實(shí)現(xiàn)，只能利用電源層2和地層2之間地平面耦合電容以及電源的去耦電容形成通路。

G段：驅(qū)動(dòng)路徑位于信號(hào)層5，地層2作為其參考層

H段：驅(qū)動(dòng)路徑發(fā)生換層，由信號(hào)層1換到信號(hào)層5，與信號(hào)層1最近的參考層是地層1，換層前后參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性相同，與B段類似，返回路徑借助驅(qū)動(dòng)路徑附近的地過孔實(shí)現(xiàn)。

5.3 信號(hào)換層有以下要點(diǎn)需要注意：

要點(diǎn)一：信號(hào)換層時(shí)，最好不要改變參考層。如上述例子中，若信號(hào)的換層是從信號(hào)層1換到信號(hào)層2，參考層都是地層1，在這種情況下，返回路徑無需換層，即信號(hào)換層對(duì)返回路徑無影響，這是最佳的換層方案。

要點(diǎn)二：信號(hào)換層時(shí)，最好不改變參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性。相同網(wǎng)絡(luò)屬性可利用附近的過孔實(shí)現(xiàn)返回路徑的通路，雖然這個(gè)過程發(fā)生了阻抗的變化，但由于過孔的尺寸較小，容性、感性寄生成分較低，過孔本身產(chǎn)生的阻抗變化可忽略，因此其對(duì)返回路徑的影響不大。

而如果參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性發(fā)生了改變（比如從電源層換到GND層），返回路徑只能借助平面耦合電容或單板上的電源耦合電容，且兩參考層之間存在層間阻抗，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，該阻抗不能被忽略，因此，在返回路徑通過時(shí)，不可避免地產(chǎn)生了一定地壓降，信號(hào)發(fā)生畸變。

要點(diǎn)三：信號(hào)換層時(shí)，最好在信號(hào)過孔附近增加一個(gè)與參考層同屬性地過孔（換層前后參考層同一網(wǎng)絡(luò)屬性）。一般要求該過孔與信號(hào)換層的過孔距離在50mil之內(nèi)

要點(diǎn)四：若換層前后，兩參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性不同，則要求兩參考層相距較近，以減少層間阻抗和返回路徑上的壓降。

要點(diǎn)五：當(dāng)換層的信號(hào)較密集時(shí)，附加的地或電源過孔之間應(yīng)保持一定距離。當(dāng)換層信號(hào)很多時(shí)，一個(gè)地或電源過孔時(shí)不夠的，需多打幾個(gè)過孔，若這些過孔相鄰較近，則信號(hào)回路上會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，返回路徑上的串?dāng)_和驅(qū)動(dòng)路徑上的串?dāng)_對(duì)信號(hào)完整性的影響是相同的。