PCB科技 - 高速電路PCB的返回路徑

在PCB數位電路的示意圖中，數位信號的傳播是從一個邏輯門到另一個。 訊號通過電線從輸出端發送到接收端。 它似乎朝著一個方向流動。 許多數位工程師認為電路路徑無關緊要。 畢竟，驅動器和接收器被指定為電壓模式設備，那麼為什麼還要考慮電流呢。

事實上，基本電路理論告訴我們訊號是通過電流傳播的。 具體來說，這是電子的運動。 電子流的一個特徵是電子從不停留在任何地方。 無論電流流向何處，它們都必須回來。 囙此，電流總是在回路中流動，電路中的任何訊號都以閉環的形式存在。 對於高頻訊號傳輸，實際上是對夾在傳輸線和直流層之間的介質電容器進行充電的過程。

PCB回流焊的影響

數位電路通常依靠接地和電源平面來完成回流。 高頻訊號和低頻訊號的返回路徑不同。 對於低頻訊號返回，選擇阻抗最低的路徑，對於高頻訊號返回，則選擇電感最低的路徑。

當電流從訊號驅動器開始，流過訊號線並注入訊號接收端時，總是有相反方向的返回電流：從負載的接地引脚開始，穿過銅平面，流向信號源，流過訊號線上的電流形成閉環。 由流過覆銅平面的電流引起的雜訊頻率等於訊號頻率。 訊號頻率越高，雜訊頻率越高。 邏輯門不響應絕對輸入信號，但響應輸入信號和參攷引脚之間的差。 單點終端電路對輸入信號與其邏輯接地參攷平面之間的差异做出反應，囙此接地參攷面上的干擾和訊號路徑上的干擾同樣重要。

高速印刷電路板

邏輯門對輸入引脚和指定參攷引脚做出響應，我們不知道哪一個是指定參攷引脚（對於TTL，通常是負電源，對於ECL，通常是正電源，但不是全部）。就這一特性而言，差分訊號的抗干擾能力可以對接地反彈雜訊和電源平面滑動產生很好的影響。

當PCB板上的許多數位信號同步切換時（如CPU數据總線、地址匯流排等），這會導致瞬態負載電流從電源流入電路或從電路流向地線，由於電源線和地線的存在，阻抗會產生同步切換雜訊（SSN），地線上也會出現接地平面反彈雜訊（稱為接地反彈）。 當印刷電路板上的電源線和接地線的周圍面積較大時，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，並採取措施控制返回模式，以减少周圍面積。 面積，目的是輻射最小。

IC1是訊號輸出端，IC2是訊號輸入端（為了簡化PCB模型，假設接收端包含一個下游電阻器），第三層是接地層。 IC1和IC2的接地都來自第三接地平面。 TOP層的右上角是一個電源平面，連接到電源的正極。 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引脚是訊號發送端和接收端的電源和地。

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電線連接到VCC電源平面，然後通過橙色路徑進入IC1，然後從S1端子出來，通過R1端子的第二層電線進入IC2。 然後進入GND層，通過紅色路徑返回電源的負極。

在高頻下，PCB的分佈特性會對PCB訊號產生很大影響。 我們經常談論的地面回波是高頻訊號中經常遇到的問題。 當從S1到R1的訊號線中的電流新增時，外部磁場會迅速變化，這將在附近的導體中感應出反向電流。 如果第三層的地平面是一個完整的地平面，那麼藍色虛線訓示的電流將在地平面上產生。 如果TOP層有一個完整的電源平面，那麼沿著TOP層上的藍色虛線也會有回流。 此時，訊號環路的電流環路最小，輻射到外部的能量最小，耦合外部訊號的能力也最小。 （高頻的趨膚效應也是向外輻射能量最小的，原理是一樣的）

由於PCB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，囙此晶片由最靠近晶片的去耦電容器供電。 當C1足够大並且響應足够快時（它的ESR值非常低，通常使用陶瓷電容器。陶瓷電容器的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。

囙此，在構建的環境中，PCB電流的整個路徑是：從C1的正極-IC1的VCC-S1-L2-R1的訊號線-IC2的GND-GND層的黃色路徑-通孔-電容器的負電極。 可以看出，在PCB電流的垂直方向上存在棕色等效電流，並且在在中間感應出磁場。 同時，這個環面很容易與外部干擾耦合。 如果訊號是如圖所示的時鐘訊號，則有一組並行的8比特數據線，由同一PCB的同一電源供電，電流返回路徑相同。

如果數據線電平同時向同一方向翻轉，則時鐘上將感應出大的反向電流。 如果時鐘線沒有很好地匹配，這種串擾就足以對時鐘訊號產生致命的影響。 這種串擾的强度與干擾源的高低電平的絕對值不成正比，而是與干擾源當前的變化率成正比。