電子萬花筒 發表於 2021-01-06 09:25:47
任何注入到系統中的電流最終都要回到源端。因此，信號不僅僅是在信號線上傳播，同時也是在參考平面上傳播，如下圖所示。所以保持參考平面的完整和低阻抗，與保持信號線的完整和低阻抗對系統同樣重要。
01 信號在信號線和參考平面上傳送
在傳統的低速設計中，系統中的迴路電流沿著最小的電阻路徑回流，而在高速系統中，電流沿著最小的阻抗迴路回流。在高頻下，迴路的電感表現出的感抗遠遠大於其本身的電阻值，因此最小阻抗路徑也就是最小電感的路徑。通常情況下，最小電感的路徑就在信號線的正下方，如下圖：
02 高頻回流電流沿最小電感路徑回流
我們把提供給信號線迴路電流的媒介稱作參考平面。在實際系統中，參考平面可以用VCC，也可以用GND，重要的一點是要保證參考平面的連續性。一對差分信號之間可以互為參考，它們對參考平面的依賴沒有那麼強。
如果在PCB上，信號的參考平面出現較大的不連續區域，如一條溝壑，那麼在這個溝壑處，信號的迴路電流無法通過緊貼信號走線線面的路徑傳送，而是必須繞開這個溝壑。這樣就給回流路徑增加了感抗，使得接收端信號的高頻分量衰減嚴重，甚至出現臺階。如下圖：
03 迴路不連續
在設計中儘量不要讓信號的迴路中存在溝壑，如果溝壑是不可避免的，可以在溝壑的兩端放置一些去耦電容，構成一個跨越溝壑的交流通路，提供給高速的迴路電流。
另一種常見的迴路不連續的情況是信號在不同參考平面之間切換，同樣會給電源系統引入噪聲。下圖所示為4層PCB結構，信號首先在第一層傳輸，然後通過一個過孔轉到第四層繼續傳輸，第二層和第三層為參考平面。當信號在第一層時，迴路電流在信號路徑對面的參考層第二層傳播，當信號在第四層時，迴路電流同樣在信號路徑對面的參考層第三層傳輸。那麼當信號穿過信號過孔時，迴路電流如何從第三層傳到第二層呢？
04 信號切換參考平面
如果參考平面之間沒有直流通路，迴路電流只能通過兩個平面之間的容性耦合傳遞。在下圖中，我們可以清楚的看到迴路電流是如何從第三層耦合到第二層的。
05 迴路電流通過平面之間的容性耦合傳遞
由於平面之間的耦合程度有限，迴路電流在躍遷過程中，將遇到較大的阻抗。因此迴路電流在這裡將在兩個平面上產生一個感應噪聲，傳播到系統的其他地方。由於這個噪聲非常類似於地彈噪聲，因此又將其稱為迴路地彈。那麼，如何減小迴路地彈噪聲呢？
如果這兩個平面具有同樣的電勢，例如它們都是地平面，那麼最直接有效的方法就是在信號過孔附近加上幾個地過孔，直接連接兩個平面，如下圖所示，使迴路電流就近通過這幾個過孔，保持迴路的連續性。
06 利用地過孔減小迴路電感
如果這兩個平面的電勢不一樣，例如一個是VCC，另一個是GND，那麼要減弱這個迴路地彈噪聲對電源系統造成的影響，兩個平面之間增加一些去耦電容，為迴路電流提供一個低阻抗的瞬態交流迴路。
聲明：本文來源於網絡電子萬花筒
原文標題：不容忽視！EMC設計中信號回流的重要性
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