高速電路回流路徑分析（上）
實(shí)際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動，電路中任意的信號都以一個閉合回路的形式存在。
01 回流的基本概念
數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號的傳播是從一個邏輯門向另一個邏輯門，信號通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動的，許多數(shù)字工程師因此認(rèn)為回路通路是不相關(guān)的，畢竟，驅(qū)動器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢？
實(shí)際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動，電路中任意的信號都以一個閉合回路的形式存在。對于高頻信號傳輸，實(shí)際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。
02 回流的影響
數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號回流選擇感抗最低的路徑。
當(dāng)電流從信號的驅(qū)動器出發(fā)，流經(jīng)信號線，注入信號的接收端，總有一個與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過敷銅平面，流向信號源，與流經(jīng)信號線上的電流構(gòu)成閉合回路。這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當(dāng)，信號頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對絕對的輸入信號響應(yīng)，而是對 輸入信號和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng)。單點(diǎn)終結(jié)的電路對引入信號和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動和信號路徑上的干擾是同樣重要 的。邏輯門對輸入引腳和指定的參考引腳進(jìn)行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個是所指定的參考引腳（對于TTL，通常是負(fù)電源，對于ECL通常是正電源，但是并不 是全都如此），就這個性質(zhì)而言，差分信號的抗干擾能力就能對地彈噪聲和電源平面滑動具有良好的效果。
當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號同步進(jìn)行切換時(如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線 上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。而當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時，它們的輻射能 量也就越大，因此，我們對數(shù)字芯片的切換狀態(tài)進(jìn)行分析，采取措施控制回流方式，達(dá)到減小環(huán)繞區(qū)域，輻射程度最小的目的。
IC1為信號輸出端，IC2為信號輸入端（為簡化PCB模型，假定接收端內(nèi)含下接電阻），第三層為地層。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。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，如果S1端輸出高電平，整個電流回路是電源經(jīng)導(dǎo)線接到VCC電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入IC1，然后從S1端出來，經(jīng)第二層的導(dǎo)線經(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(fù)極。
在高頻時，PCB所呈現(xiàn)的分布特性會對信號產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個問題。當(dāng)S1到R1的信號線中有增大的電流時，外部的磁場變化很快，會使附近的導(dǎo)體感應(yīng)出一個反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話，那么會在地平面上產(chǎn)生一個藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流，如果TOP層有一個完整的電源平面的話，也會在TOP層有一個沿藍(lán)色虛線的回流。此時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。（高頻時的趨膚效應(yīng)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(dāng)C1足夠大，而且反應(yīng)又足夠快（有很低的ESR值，通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠(yuǎn)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（存在一個和整板供電對應(yīng)的電流，但不是與圖示信號對應(yīng)的電流）。
因此，按圖中構(gòu)造的環(huán)境，電流的整個通路是：由C1的正極→IC1的VCC→S1→L2信號線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負(fù)極?？梢钥吹?，電流的垂直方向有一個棕色的等效電流，中間會感應(yīng)出磁場，同時，這個環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號為一條時鐘信號，并行有一組8bit的數(shù)據(jù)線，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(shù)據(jù)線電平同時同向翻轉(zhuǎn)的話，會使時鐘上感應(yīng)一個很大的反向電流，如果時鐘線沒有良好的匹配的話，這個串?dāng)_足以對時鐘信號產(chǎn)生致命影響。這種串?dāng)_的強(qiáng)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，對于一個純阻性的負(fù)載來說，串?dāng)_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(fù)載)都是指干擾源的參數(shù)(如果是容性負(fù)載的話，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?dāng)_小。也就是我們說的：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，在選器件的時候也要注意一下，不要一味選開關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會增加串?dāng)_以及EMC問題。
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到GND的低電抗通路，那么這個平面就可以作為這個信號的回流平面。在平常的應(yīng)用中，收發(fā)對應(yīng)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，往往不會在信號兩端有到地的低電抗通路。這樣，在相鄰平面感應(yīng)出的電流就會尋找最近的電容回到地。如果這個“最近的電容”離始端或終端很遠(yuǎn)的話，這個回流也要經(jīng)過“長途跋涉”才能形成一個完整的回流通路，而這個通路也是相鄰信號的回流通路，這個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?dāng)_。
對于一些無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(gòu)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?dāng)_)。這樣可能會涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點(diǎn)滑稽，但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話，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(dāng)增加幾個小電容到地，提供一個回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻K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(jù)了。
回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。
03 回流路徑理論知識
下圖中是印制板中的一條線路，在導(dǎo)線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導(dǎo)線，從驅(qū)動端到接收端，實(shí)際上，電流總是在環(huán)路上才能流動，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，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。
如下圖所示， PCB板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理，當(dāng)突變的電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時，將在空間產(chǎn)生電磁場，并對其他導(dǎo)線造成影響，這就是我們通常所說的輻射，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。
這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬它，設(shè)電流為I,面積為S的小環(huán)，在自由空間為r的遠(yuǎn)場測得的電場強(qiáng)度為：
該公式適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，實(shí)際上我們的產(chǎn)品是在地面進(jìn)行而非自由空間，附近地面的反射會使測得的輻射增加6dB，考慮到這一點(diǎn)，公式必須乘2，如果對地面反射加以修正并假設(shè)為最大輻射方向，則修正后的公式為
由此公式可得，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(jù)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組成，如下圖。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān)。
對傳輸線來說，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號布線的正下方的敷銅平面上，如圖所示。這樣的返回路徑使得整個回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場強(qiáng)度（或接收空間輻射的能力）最小。
對于比較長、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號返回電流流經(jīng)范圍是以信號布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號布線中心軸距離越遠(yuǎn)，電流密度越小，這一段關(guān)系便可滿足：
根據(jù)公式，下表列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心，寬度為的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。
假設(shè)英寸，則經(jīng)過距離傳輸線0.035英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的13％，具體分到傳輸線的一側(cè)只有6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計。
04 小結(jié)：
1．當(dāng)信號布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時，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、布線局部化的原則，即人為地拉開數(shù)字信號線、數(shù)字器件與模擬信號線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數(shù)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)由與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅(qū)動端。驅(qū)動器信號走線的終端負(fù)載，跨接在信號走線和與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。
3．當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域最小，從而控制輻射程度。
