來源 | 微波仿真網

智庫 | 云腦智庫(CloudBrain-TT)

云圈 | 進“云腦智庫微信群”,請加微信:15881101905,備注您的研究方向

IC1為信號輸出端，IC2為信號輸入端（為簡化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、收信號端的供電電源和地。

在低頻時，如果S1端輸出高電平，整個電流回路是電源經導線接到VCC電源平面，然后經橙色路徑進入IC1，然后從S1端出來，經第二層的導線經R1端進入IC2，然后進入GND層，經紅色路徑回到電源負極。

在高頻時，PCB所呈現的分布特性會對信號產生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號中經常要遇到的一個問題。當S1到R1的信號線中有增大的電流時，外部的磁場變化很快，會使附近的導體感應出一個反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話，那么會在地平面上產生一個藍色虛線標示的電流，如果TOP層有一個完整的電源平面的話，也會在TOP層有一個沿藍色虛線的回流。此時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，按圖中構造的環境，電流的整個通路是：由C1的正極→IC1的VCC→S1→L2信號線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負極。可以看到，電流的垂直方向有一個棕色的等效電流，中間會感應出磁場，同時，這個環面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號為一條時鐘信號，并行有一組8bit的數據線，由同一芯片的同一電源供電，電流回流途徑是相同的。如果數據線電平同時同向翻轉的話，會使時鐘上感應一個很大的反向電流，如果時鐘線沒有良好的匹配的話，這個串擾足以對時鐘信號產生致命影響。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，對于一個純阻性的負載來說，串擾電流正比于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(干擾源負載)都是指干擾源的參數(如果是容性負載的話，dI/dt是與T?10%-90%的平方成反比的。)。從式中可以看出，低頻的信號未必比高速信號的串擾小。也就是我們說的：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，在各倍頻點都有很大的振幅。因此，在選器件的時候也要注意一下，不要一味選開關速度快的芯片，不僅成本高，還會增加串擾以及EMC問題。

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到GND的低電抗通路，那么這個平面就可以作為這個信號的回流平面。在平常的應用中，收發對應的芯片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，往往不會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尋找最近的電容回到地。如果這個“最近的電容”離始端或終端很遠的話，這個回流也要經過“長途跋涉”才能形成一個完整的回流通路，而這個通路也是相鄰信號的回流通路，這個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)。這樣可能會涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點滑稽，但肯定是有效的。如果一些規范上不允許的話，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小電容到地，提供一個回流通路。但這種做法往往難以實現。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。

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范圍。

下圖中是印制板中的一條線路，在導線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導線，從驅動端到接收端，實際上，電流總是在環路上才能流動，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，要對他們進行控制有一定的難度。

如圖3.1所示， PCB板上每條導線和其回路構成一個電流環路，根據電磁輻射原理，當突變的電流流過電路中的導線環路時，將在空間產生電磁場，并對其他導線造成影響，這就是我們通常所說的輻射，為了減少輻射的影響，首先應該了解輻射的基本原理和與輻射強度有關的參數。

這些環路相當于正在工作的小天線，向空間輻射磁場。我們用小環天線產生的輻射來模擬它，設電流為I,面積為S的小環，在自由空間為r的遠場測得的電場強度為：

E――電場（V/m）

f――頻率（ ）
S――面積（ ）
I――電流（A）
r――距離（m）
――測量天線與輻射平面的夾角（ ）

由式3.2知，輻射與環路電流和環面積成正比，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的。根據電路基本知識，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。

對傳輸線來說，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回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號形成的環形天線向空間輻射的磁場強度（或接收空間輻射的能力）最小。

圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖

根據式3.3，表3.1列出了流經以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區域內的返回電流占所有返回電流的百分比。

假設英寸，則經過距離傳輸線0.035英寸以外的區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只有6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計。

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

當數字電路工作時，將發生高、低電壓之間的轉換，這就引起瞬態負載電流從電源流入電路或由電路流入地線。

對于數字器件而言，它引腳輸入電阻可以認為無窮大，相當于開路（即下圖中的i＝0），事實上，回路電流是通過芯片與電源和地平面產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的內部電路為例進行分析。

驅動端對信號走線和電源平面及終端負載構成的傳輸線進行充電，電流從驅動器的電源管腳進入器件，并從驅動器輸出端流向負載端；

高頻瞬態返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到驅動器的輸出端，返回電流直接通過電源平面，從驅動器的電源管腳進入驅動器，構成電流環路。

驅動器對信號走線和電源平面及終端負載構成的傳輸線進行充電，電流從驅動器的電源管腳進入器件，并從驅動器輸出端流向負載端；

4.1.2 驅動端從高電平變化到低電平，相當于輸出引腳吸收傳輸線上的電流。

② 信號走線與地平面緊鄰。

4．2覆銅切割造成的回流問題解決辦法

4．3過孔造成的回流問題解決辦法

4.3.1．過孔形成的溝槽

在印制板信號布線時，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務，這時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，有時候會出現許多過孔連成一片的情況，形成所謂的溝，如圖所示。首先，我們應該對這種情況進行分析，看看是否回流需要經過溝槽，如果信號的回流無需經過溝槽，就不會對回流造成阻礙影響。如果回路電路要繞過這條溝返回，形成的天線效應將急劇增加，對周邊信號產生干擾。通常我們可以在涂敷數據生成后，對過孔過密而形成溝槽的地方加以調整，使過孔之間留有一定的距離。

4.3.2．過孔形成的跳層現象

下面我們以六層板為例進行分析。該六層板有兩個涂敷層，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的情況，即是否有跳層現象。

A．回路電流在同一層上流動的情況包括表層<----->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，但是，由靜電感應原理可知，處于電場中的完整的導體，其內部電場強度為零，所有的電流均在導體表面流動，地平面和電源平面實際上就是這樣一個導體。我們使用的過孔均為通孔，這些過孔經過電源和地平面時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。具有跳層現象的信號，需要其在過孔密集區附近增加一些旁路電容，通常為0.1uf的磁片電容，用來提供一個回流通路的。

－ The End －

聲明：歡迎轉發本號原創內容，轉載和摘編需經本號授權并標注原作者和信息來源為云腦智庫。本公眾號目前所載內容為本公眾號原創、網絡轉載或根據非密公開性信息資料編輯整理，相關內容僅供參考及學習交流使用。由于部分文字、圖片等來源于互聯網，無法核實真實出處，如涉及相關爭議，請跟我們聯系。我們致力于保護作者知識產權或作品版權，本公眾號所載內容的知識產權或作品版權歸原作者所有。本公眾號擁有對此聲明的最終解釋權。

投稿/招聘/推廣/合作/入群/贊助 請加微信：15881101905，備注關鍵詞

微群關鍵詞：天線、射頻微波、雷達通信電子戰、芯片半導體、信號處理、軟件無線電、測試制造、相控陣、EDA仿真、通導遙、學術前沿、知識服務、合作投資.

“閱讀是一種習慣，分享是一種美德，我們是一群專業、有態度的知識傳播者.”