IC1 為信號輸出端，IC2 為信號輸入端（為簡(jiǎn)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(lái)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(fā)、收信號端的供電電源和地。

 

在低頻時(shí)，如果 S1 端輸出高電平，整個(gè)電流回路是電源經(jīng)導線(xiàn)接到 VCC 電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入 IC1，然后從 S1 端出來(lái)，經(jīng)第二層的導線(xiàn)經(jīng) R1 端進(jìn)入 IC2，然后進(jìn)入 GND 層，經(jīng)紅色路徑回到電源負極。

 

在高頻時(shí)，PCB 所呈現的分布特性會(huì )對信號產(chǎn)生很大影響。我們常說(shuō)的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問(wèn)題。當 S1 到 R1 的信號線(xiàn)中有增大的電流時(shí)，外部的磁場(chǎng)變化很快，會(huì )使附近的導體感應出一個(gè)反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話(huà)，那么會(huì )在地平面上產(chǎn)生一個(gè)藍色虛線(xiàn)標示的電流，如果 TOP 層有一個(gè)完整的電源平面的話(huà)，也會(huì )在 TOP 層有一個(gè)沿藍色虛線(xiàn)的回流。此時(shí)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(shí)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(gè)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(huán)境，電流的整個(gè)通路是：由 C1 的正極→IC1 的 VCC→S1→L2 信號線(xiàn)→R1→IC2 的 GND→過(guò)孔→GND 層的黃色路徑→過(guò)孔→電容負極?？梢钥吹?，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì )感應出磁場(chǎng)，同時(shí)，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來(lái)的干擾。如果和圖中信號為一條時(shí)鐘信號，并行有一組 8bit 的數據線(xiàn)，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(xiàn)電平同時(shí)同向翻轉的話(huà)，會(huì )使時(shí)鐘上感應一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線(xiàn)沒(méi)有良好的匹配的話(huà)，這個(gè)串擾足以對時(shí)鐘信號產(chǎn)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(gè)純阻性的負載來(lái)說(shuō)，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(huà)，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(shuō)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(diǎn)都有很大的振幅。因此，在選器件的時(shí)候也要注意一下，不要一味選開(kāi)關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會(huì )增加串擾以及 EMC 問(wèn)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(gè)到 GND 的低電抗通路，那么這個(gè)平面就可以作為這個(gè)信號的回流平面。在平常的應用中，收發(fā)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(huà)，往往不會(huì )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(huì )尋找最近的電容回到地。如果這個(gè)“最近的電容”離始端或終端很遠的話(huà)，這個(gè)回流也要經(jīng)過(guò)“長(cháng)途跋涉”才能形成一個(gè)完整的回流通路，而這個(gè)通路也是相鄰信號的回流通路，這個(gè)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(wú)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(lián)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(lèi)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(huì )涉及到在電源平面之間加電容的問(wèn)題，似乎有點(diǎn)滑稽，但肯定是有效的。如果一些規范上不允許的話(huà)，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(gè)小電容到地，提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)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(lái)源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。

 

回流路徑理論知識

下圖中是印制板中的一條線(xiàn)路，在導線(xiàn)上有電流通過(guò)，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導線(xiàn)，從驅動(dòng)端到接收端，實(shí)際上，電流總是在環(huán)路上才能流動(dòng)，傳輸線(xiàn)是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見(jiàn)的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來(lái)，由于沒(méi)有物理線(xiàn)路，回路途徑變得難于估計，要對他們進(jìn)行控制有一定的難度。

 

 

如圖 3.1 所示， PCB 板上每條導線(xiàn)和其回路構成一個(gè)電流環(huán)路，根據電磁輻射原理，當突變的電流流過(guò)電路中的導線(xiàn)環(huán)路時(shí)，將在空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并對其他導線(xiàn)造成影響，這就是我們通常所說(shuō)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(guān)的參數。

 

 

圖 3.1 印制板上的差模輻射

 

這些環(huán)路相當于正在工作的小天線(xiàn)，向空間輻射磁場(chǎng)。我們用小環(huán)天線(xiàn)產(chǎn)生的輻射來(lái)模擬它，設電流為 I,面積為 S 的小環(huán)，在自由空間為 r 的遠場(chǎng)測得的電場(chǎng)強度為：

 

 

 

E――電場(chǎng)（V/m）

f――頻率（ ）

S――面積（ ）

I――電流（A）

r――距離（m）

 

――測量天線(xiàn)與輻射平面的夾角（ ）

 

式 3.1 適用于放置在自由空間且表面無(wú)反射的小環(huán)，實(shí)際上我們的產(chǎn)品是在地面進(jìn)行而非自由空間，附近地面的反射會(huì )使測得的輻射增加 6dB，考慮到這一點(diǎn)，式 3.1 必須乘 2，如果對地面反射加以修正并假設為最大輻射方向，則式 3.1 為

 

 

 

由式 3.2 知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)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(guān)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(guò)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(xiàn)組成，如圖 3.2。每根弧線(xiàn)上的電流的密度與此弧線(xiàn)上的電阻率有關(guān)。

 

 

圖 3.2 PCB 敷銅平面上高頻電流路徑

 

對傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，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(xiàn)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(gè)回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號形成的環(huán)形天線(xiàn)向空間輻射的磁場(chǎng)強度（或接收空間輻射的能力）最小。

 

對于比較長(cháng)、直的布線(xiàn)，可以看作理想的傳輸線(xiàn)。在其上傳播的信號返回電流流經(jīng)范圍是以信號布線(xiàn)為中心軸的帶狀區域，距離信號布線(xiàn)中心軸距離越遠，電流密度越小，

 

如圖 3.3。這一關(guān)系近似滿(mǎn)足式 3.3 [4]：

 

 

 

式 3.3

 

其中， 為原始信號電流，單位為“A，安培”；

 

為信號布線(xiàn)與敷銅平面的距離，單位為“in.，英寸”；

 

為敷銅平面上的點(diǎn)到信號線(xiàn)的垂直距離，單位為“in.，英寸”；

 

是這一點(diǎn)上的電流密度，單位為“A/in.，安培每英寸”。

 

 

圖 3.3 傳輸線(xiàn)返回電流密度分布圖

 

根據式 3.3，表 3.1 列出了流經(jīng)以傳輸線(xiàn)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(jīng)過(guò)距離傳輸線(xiàn) 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(xiàn)的一側只有 6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計。

 

小結

1．當信號布線(xiàn)下方具有連續、致密、完整的敷銅平面時(shí)，信號返回電流對敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線(xiàn)局部化的原則，即人為地拉開(kāi)數字信號線(xiàn)、數字器件與模擬信號線(xiàn)、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數字信號返回電流對模擬電路的干擾。

 

2．高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號走線(xiàn)緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅動(dòng)端。驅動(dòng)器信號走線(xiàn)的終端負載，跨接在信號走線(xiàn)和與信號走線(xiàn)緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。

 

3．當印制板上的電源線(xiàn)和接地線(xiàn)的環(huán)繞區域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過(guò)控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區域最小，從而控制輻射程度。

 

4  回流問(wèn)題的解決方法

 

在 PCB 板上引起回流問(wèn)題通常有三個(gè)方面：芯片互連，銅面切割，過(guò)孔跳躍。下面具體對這些因素進(jìn)行分析。

 

4.1 芯片互連引起的回流問(wèn)題

 

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

 

對于數字器件而言，它引腳輸入電阻可以認為無(wú)窮大，相當于開(kāi)路（即下圖中的 i＝0），事實(shí)上，回路電流是通過(guò)芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來(lái)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(jìn)行分析。

 

4.1.1 驅動(dòng)端從低電平變化到高電平。

 

當輸出信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相當于輸出引腳對傳輸線(xiàn)輸出一個(gè)電流，由于輸入電阻無(wú)窮大，我們認為對于芯片而言，沒(méi)有電流從輸入管腿上流入即 ，那么，這個(gè)電流必須返回到輸出芯片的電源管腿上。

 

①信號走線(xiàn)與電源平面緊鄰。

 

驅動(dòng)端對信號走線(xiàn)和電源平面及終端負載構成的傳輸線(xiàn)進(jìn)行充電，電流從驅動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅動(dòng)器輸出端流向負載端；

 

高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線(xiàn)下方的電源平面上回流到驅動(dòng)器的輸出端，返回電流直接通過(guò)電源平面，從驅動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅動(dòng)器，構成電流環(huán)路。

 

②信號走線(xiàn)與地平面緊鄰。

 

驅動(dòng)器對信號走線(xiàn)和電源平面及終端負載構成的傳輸線(xiàn)進(jìn)行充電，電流從驅動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅動(dòng)器輸出端流向負載端；

 

 

 

高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線(xiàn)下方的地平面上回流到驅動(dòng)器的輸出端，返回電流必須借助在驅動(dòng)器輸出端的電源平面和地平面的耦合電容，從地平面跨越到電源平面，再從驅動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅動(dòng)器，構成電流環(huán)路。

 

4.1.2 驅動(dòng)端從高電平變化到低電平，相當于輸出引腳吸收傳輸線(xiàn)上的電流。

 

① 信號走線(xiàn)與電源平面緊鄰。

負載對信號走線(xiàn)和電源平面及驅動(dòng)器輸出端構成的傳輸線(xiàn)進(jìn)行放電，電流從驅動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，并通過(guò)在驅動(dòng)器地管腳附近的電源平面和地平面耦合電容，跨越到電源平面，返回負載端；

高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線(xiàn)下方的電源平面上回流到負載端，構成電流環(huán)路。

 

② 信號走線(xiàn)與地平面緊鄰。

 

負載對信號走線(xiàn)和電源平面及驅動(dòng)器輸出端構成的傳輸線(xiàn)進(jìn)行放電，電流從驅動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，返回負載端；高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線(xiàn)下方的地平面上回流到負載端，構成電流環(huán)路。

 

 

 

在驅動(dòng)器的輸出管腳、地管腳附近，應當布放電源平面和地平面的耦合電容，為返回電流提供返回通路，否則，返回電流將尋找最近的電源平面和地平面的耦合途徑進(jìn)行回流（使得回流途徑難以預知和控制，從而對其他走線(xiàn)造成串擾）。

 

4．2 覆銅切割造成的回流問(wèn)題解決辦法

 

地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失。如圖所示，回路電流經(jīng)過(guò)地流回，由于電阻 R1 的存在，勢必在 1 和 2 點(diǎn)產(chǎn)生電壓降，電阻越大，壓降越大，引起對地電平的不一致，如果有地層，可視為線(xiàn)寬無(wú)限大，電阻很小的信號線(xiàn)?；芈冯娏骺偸菑淖羁拷盘柕牡貙由狭鬟^(guò)，當地層不止一層時(shí)，如果信號處于兩層地平面之間而兩者又完全相同時(shí)，回路電流將等分在兩個(gè)平面上通過(guò)。

 

 

 

4.2.1．在布局、布線(xiàn)局部化的條件下，數字地平面與模擬地平面公用同一塊敷銅平面，即對數字地與模擬地不加區分，數字電路本身的噪聲并不會(huì )給模擬電路系統帶來(lái)額外的噪聲。

 

4.2.2．在數字、模擬混合電路系統中，數字地與模擬地的共地點(diǎn)選擇在板外，即兩敷銅平面完全獨立，使得數字電路與模擬電路之間的信號線(xiàn)不具備傳輸線(xiàn)的特征，給系統帶來(lái)嚴重的信號完整性問(wèn)題。數字電路與模擬電路采用同一個(gè)電源系統，地平面不加分割，在數字、模擬混合電路系統的設計中，在布局模塊化、布線(xiàn)局部化的基礎上，數字電路模塊和模擬電路模塊公用一個(gè)完整的、不加分割的電壓參考平面，不但不會(huì )增大數字電路對模擬電路的干擾，由于消除了信號線(xiàn)“跨溝”問(wèn)題，能夠大幅度降低信號間的串擾和系統的地彈噪聲，提高了前端模擬電路的精度。

 

 

 

4．3 過(guò)孔造成的回流問(wèn)題解決辦法

在印制板信號布線(xiàn)時(shí)，如果是多層板，很多信號必須通過(guò)換層來(lái)完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過(guò)孔，過(guò)孔對回流的影響有兩種：一是過(guò)孔形成溝槽阻斷回流，二是過(guò)孔造成的回流跳層流動(dòng)。

 

4.3.1．過(guò)孔形成的溝槽

 

在印制板信號布線(xiàn)時(shí)，如果是多層板，很多信號必須通過(guò)換層來(lái)完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過(guò)孔，如果過(guò)孔在電源或地平面排列比較密集，有時(shí)候會(huì )出現許多過(guò)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(jìn)行分析，看看是否回流需要經(jīng)過(guò)溝槽，如果信號的回流無(wú)需經(jīng)過(guò)溝槽，就不會(huì )對回流造成阻礙影響。如果回路電路要繞過(guò)這條溝返回，形成的天線(xiàn)效應將急劇增加，對周邊信號產(chǎn)生干擾。通常我們可以在涂敷數據生成后，對過(guò)孔過(guò)密而形成溝槽的地方加以調整，使過(guò)孔之間留有一定的距離。

 

 

 

4.3.2．過(guò)孔形成的跳層現象

下面我們以六層板為例進(jìn)行分析。該六層板有兩個(gè)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(xiàn)時(shí)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(lèi)：回路電流在同一層上和在不同層上流動(dòng)的情況，即是否有跳層現象。

 

 

A．回路電流在同一層上流動(dòng)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(dòng)，但是，由靜電感應原理可知，處于電場(chǎng)中的完整的導體，其內部電場(chǎng)強度為零，所有的電流均在導體表面流動(dòng)，地平面和電源平面實(shí)際上就是這樣一個(gè)導體。我們使用的過(guò)孔均為通孔，這些過(guò)孔經(jīng)過(guò)電源和地平面時(shí)留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過(guò)了路徑，因此，這些信號線(xiàn)的回流途徑是很好的，無(wú)需采用措施來(lái)改善。

 

 

 

B.  回路電流在不同層上流動(dòng)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(guò)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(lái)提供一個(gè)回流通路的。