電路設計 - 高速電路板回流路徑詳圖

1、回流的基本概念

數位化原理 印刷電路板 簡圖, 數位信號從一個邏輯門傳輸到另一個邏輯門, 通過導線從輸出端子到接收器的訊號, 似乎是單向流, 囙此，許多數位工程師認為環路是無關的, 畢竟, 設備驅動器和接收器被指定為電壓模式, 為什麼還要考慮當前! 事實上, 基本電路理論告訴我們，訊號是通過電流傳輸的, 明確地, 是電子的運動, 電子流是電子技術的特點之一，它從不停留在任何地方, 只要電流一定會回來, 所以電流總是在回路中流動, 閉環形式的任意訊號電路. 用於高頻訊號傳輸, 它實際上是對夾在傳輸線和直流層之間的介質電容器充電的過程.

2、回流的影響

回流通常在數位電路中通過接地和功率平面來實現。 高頻訊號和低頻訊號的回流路徑不同。 低頻訊號回流選擇阻抗路徑，高頻訊號回流選擇電感電抗路徑。

當電流從訊號驅動器通過訊號線流入訊號接收端時，始終存在相反方向的回流：從負載的接地引脚，通過鍍銅平面，到信號源，電流通過訊號線形成閉環。 電流流過鍍銅平面引起的雜訊頻率與訊號頻率相等，訊號頻率越高，雜訊頻率越高。 邏輯門不響應輸入信號，而是響應輸入信號和參攷引脚之間的差异。 單點端接電路響應輸入信號與其邏輯基準面之間的差异，囙此地基准面中的干擾與訊號路徑中的干擾同等重要。 邏輯門和指定的參攷輸入引脚引脚響應，我們不知道哪個是由參攷引脚指定的（對於TTL，通常是負功率，對於ECL，通常是正的，但不是全部），就性質而言，對隨機雜訊和功率滑動面的差分訊號的抗干擾能力有很好的效果。

當PCB板上的許多數位信號同步切換（如CPU數据總線、地址匯流排等）時，這會引起

瞬態負載電流從電源電路或通過電路流入地面，因為電源線和地面上的阻抗，會產生同時開關雜訊（SSN），地面上會有地平面反彈雜訊（播放）。 而當印製板上的電源線和接地線周圍面積較大時，它們的輻射能量也較大，囙此，我們分析了數位晶片的開關狀態，採取措施控制回流模式，以减少周圍面積，達到輻射的目的。

示例說明：

IC1是訊號輸出端，IC2是訊號輸入端（對於簡化的PCB模型，假設接收端包含底層電阻），第3層是地層。 IC1和IC2的土地來自第3層。 頂層的右上角是連接到電源正極的電源平面。 C1和C2分別是IC1和IC2的去耦電容器。 圖中所示晶片的電源和接地均為發射和接收訊號的電源和接地。

在低頻時，如果S1端子輸出高電平，則整個電流回路是電源通過導線到VCC電源平面，然後通過橙色路徑進入IC1，然後出S1端子，通過第二層導線通過R1端子進入IC2，然後進入GND層，通過紅色路徑回到電源負極端子。

在高頻下，PCB的分佈特性會極大地影響訊號。 通常所說的回流是高頻訊號中經常遇到的問題。 當S1到R1隨著電流訊號的新增，外部磁場變化非常快，可以使導體附近感應到反向電流，如果接地層的第3層是完整平面，則可以在接地層上產生藍色虛線標記電流，如果頂層的功率具有完整平面， 頂層的藍色虛線也會出現回流。 現在，訊號回路具有電流回路、輻射能量和耦合外部訊號的能力。 （高頻集膚效應也向外輻射能量，原理相同。）

由於高頻信號電平和電流變化迅速，但變化週期短，所需能量不是很大，囙此晶片由靠近晶片的去耦電容供電。 當C1足够大且反應足够快時（ESR值非常低，通常使用陶瓷電容器）。片式電容器的ESR遠低於鉭電容器。頂層的橙色路徑和GND層的紅色路徑可以視為不存在 （有一個電流對應於整個電路板的電源，但不是對應於所示訊號的電流）。

囙此，根據圖中構建的環境，整個電流路徑如下：C1的正極端子-IC1的VCC-S1-L2訊號線-R1-IC2的GND-通孔-GND層的黃色路徑-通孔-電容器負極端子。 正如你所看到的，在電流的垂直方向上有一個棕色的等效電流，它在中間感應一個磁場，這個圓環也很容易與外部干擾耦合。 如果圖中所示的訊號是時鐘訊號，則有一組8比特數據線並聯，由同一晶片的同一電源供電，電流回流路徑相同。 如果數據線同時沿同一方向翻轉，則會在時鐘上感應到較大的反向電流，如果時鐘線不匹配，則這種串擾可能會對時鐘訊號造成致命影響。 串擾强度與干擾源的高電平或低電平不成正比，而是與干擾源的電流變化率成正比。 對於純電阻負載，串擾電流與dI/dt=dV/（T？10%-90%*R）成正比。 在公式中，dI/dt（電流變化率）、dV（干擾源的幅值）和R（干擾源的負載）是指干擾源的參數（對於電容性負載，dI/dt與T相同？10%-90%的平方成反比）。 從公式中可以看出，低頻訊號的串擾不一定小於高速訊號的串擾。 也就是說，我們說：1KHz訊號不一定是低速訊號，要考慮邊緣的情况。 對於邊緣非常陡峭的訊號，它包含許多諧波，並且在所有倍頻程下都具有較大幅度。 囙此，在選擇器件時，我們還應注意不要盲目選擇開關速度快的晶片，這不僅成本高，而且還會新增串擾和EMC問題。

在訊號兩端具有適當電容器以向GND提供低電抗路徑的任何相鄰電源層或其他表面可以用作訊號的回流表面。 在常見應用中，收發器對應的晶片的IO電源通常是相同的，電源和地面之間通常有0.01-0.1uF去耦電容器，這些電容器正好位於訊號的兩端，囙此電源面的回流效應僅次於接地層。 使用其他功率平面進行回流時，訊號兩端通常沒有低電抗接地路徑。 這樣，在相鄰平面中感應的電流將找到最近的電容器並返回地面。 如果“近電容”遠離起點或終點，回流也會經過“長距離”形成完整的回流路徑，該路徑也是相鄰訊號的回流路徑。 相同的回流路徑具有與公共接地干擾相同的效果，這相當於訊號之間的串擾。

對於一些不可避免的交叉功率分裂，可以跨分裂連接由電容器或RC系列製成的高通濾波器（例如，10歐姆電阻系列680p電容器，具體值取決於其自身的訊號類型，即提供高頻回流路徑，但也隔離相互平面之間的低頻串擾）。 這可能涉及在功率平面之間添加電容器，這可能看起來很滑稽，但確實有效。 如果某些規格不允許，電容可以從分裂點的兩個平面分別接地。

在使用其他平面進行回流的情况下，可以在訊號的兩端適當地將幾個小電容器添加到地上，以提供回流路徑。 但這通常很難實現。 端子附近的大部分表面空間被匹配電阻器和晶片的去耦電容佔據。

回流雜訊是基準面內的主要雜訊之一。 囙此，有必要研究回流的路徑和流動範圍。