PCB部落格 - 高速PCB板中的訊號回流和交叉分割

Regarding the signal return and cross-segmentation in high-speed 電路板, 這裡簡單地構造了一個“場景”, 地面返回, 結合下圖介紹了功率返回和一些交叉分割問題. 為了方便繪圖, 層間距增大.

IC1為訊號輸出端子, IC2 is the signal input terminal (to simplify the PCB板 模型, it is assumed that the receiving terminal contains a lower connection resistance). 第3層是底層. IC1和IC2接地均來自第3個接地層. 頂層的右上角是一個電源平面, 連接到電源正極. C1和C2是IC1和IC2的去耦電容器, 分別地. 圖中所示晶片的電源和接地引脚是發射和接收訊號終端的電源和接地. 低頻時, 如果S1端子輸出高電平, 整個電流回路是通過導線將電源連接到VCC電源平面, 然後通過橙色路徑進入IC1, 然後從S1終端退出, 並沿第二層導線通過R1端子進入IC2. 然後進入GND層，通過紅色路徑返回電源負極.

然而, 在高頻下, PCB呈現的分佈特性將對訊號產生很大影響. 我們常說的地面回波是高頻訊號中經常遇到的問題. 當訊號線中從S1到R1的電流新增時, 外部磁場變化迅速, 這將在附近的導體中產生反向電流. 如果第3層的地平面是完整地平面, 接地平面上將有一個由藍色虛線標記的電流； 如果頂層有完整的電源平面, 沿著藍點回流，頂層也會有電流. 此時, 訊號回路有一個電流回路, 輻射到外面的能量, 以及耦合外部訊號的能力. (The skin effect at high frequencies also radiates energy outward, 原理是一樣的.)

Since the high-frequency signal level and current change rapidly, 但變化期很短, 所需能量不是很大, 囙此，晶片由靠近晶片的去耦電容器供電. When C1 is large enough and the response is fast enough (with very low ESR value, 通常使用陶瓷電容器. 陶瓷電容器的ESR遠低於鉭電容器.), the orange path on the top layer and the red path on the GND layer can be It is regarded as non-existent (there is a current corresponding to the power supply of the whole board, but not the current corresponding to the signal shown in the figure).

因此, 根據圖中構建的環境, the entire path of the current is: from the positive pole of C1 -> VCC of IC1 -> S1 -> L2 signal line -> R1 -> GND of IC2 -> via hole -> $ of the GND layer Path -> Via -> Capacitor Negative. 可以看出，在電流的垂直方向上存在棕色等效電流, 在中間會產生一個磁場. 同時, 這個圓環也可以很容易地與外部干擾耦合. 如果圖中的訊號是時鐘訊號, 有一組並行的8比特數據線, 由同一晶片的同一電源供電, 當前返回路徑相同. 如果數據線同時在同一方向翻轉, 時鐘上將感應到較大的反向電流. 如果時鐘線不匹配, 這種串擾足以對時鐘訊號產生致命影響. 這種串擾的强度與干擾源的電平不成正比, 但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公司公司成正比/dt=dV /( T10%-90%*R). 在公式中, dI/dt (current rate of change), dV (swing of the interference source) and R (interference source load) all refer to the parameters of the interference source (if it is a capacitive load, dI/dt與T10%相關，90%的平方成反比.). 從公式中可以看出，低速訊號的串擾不一定小於高速訊號的串擾. 這就是我們所說的：1kHZ訊號不一定是低速訊號, 應綜合考慮邊緣情况. 對於邊緣非常陡峭的訊號, 它包含許多諧波成分，並且在每個倍頻點具有較大幅度. 因此, 選擇設備時也應注意. 不要盲目選擇開關速度快的晶片, 這不僅成本高, 但也會新增串擾和EMC問題.

任何相鄰的功率平面或在訊號上具有適當電容器的其他平面，以向GND提供低電抗路徑，都可以作為該訊號的返回平面. 在普通應用中, 收發器的相應晶片IO電源通常相同, 通常為0.01-0.各電源和接地之間的1uF去耦電容器, 這些電容器也在訊號的兩端, 囙此，功率平面的回流效應僅次於地平面. 當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. 以這種管道, 相鄰平面中感應的電流將找到離地最近的電容. 如果“近電容器”遠離起點或終點, 回流必須經過“漫長的旅程”才能形成完整的回流路徑, 該路徑也是相鄰訊號的返回路徑. 這種相同的回流通道和公共接地干擾的影響是相同的, 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情况, a high-pass filter (such as a 10-ohm resistor series 680p capacitor) can be connected across a capacitor or a RC series connection at the cross-segmented place. 具體值取決於您自己的訊號類型, 即提供高頻返回路徑, but also to isolate low-frequency crosstalk between the mutual planes). 這可能涉及在功率平面之間添加電容器, 這看起來有點滑稽, 但確實有效. 如果某些規範不允許, 電容器可以在分裂處的兩個平面上接地. 對於借用其他飛機返回的情况, 可以在訊號兩端的地上適當地添加幾個小電容器，以提供返回路徑. 但這種方法通常很難實現. 因為端子附近的大部分表面空間被晶片的匹配電阻和去耦電容所佔據 PCB板.