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(hào)是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，電路中任意的信號(hào)都以一個(gè)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(hào)的傳播是從一個(gè)邏輯門向另一個(gè)邏輯門，信號(hào)通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動(dòng)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(dòng)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(hào)是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，電路中任意的信號(hào)都以一個(gè)閉合回路的形式存在。對(duì)于高頻信號(hào)傳輸，實(shí)際上是對(duì)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(hào)和低頻信號(hào)的回流通路是不相同的，低頻信號(hào)回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號(hào)回流選擇感抗最低的路徑。
當(dāng)電流從信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，流經(jīng)信號(hào)線，注入信號(hào)的接收端，總有一個(gè)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(hào)源，與流經(jīng)信號(hào)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(hào)頻率相當(dāng)，信號(hào)頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對(duì)絕對(duì)的輸入信號(hào)響應(yīng)，而是對(duì) 輸入信號(hào)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(duì)引入信號(hào)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(dòng)和信號(hào)路徑上的干擾是同樣重要 的。邏輯門對(duì)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(gè)是所指定的參考引腳（對(duì)于TTL，通常是負(fù)電源，對(duì)于ECL通常是正電源，但是并不 是全都如此），就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號(hào)的抗干擾能力就能對(duì)地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果。
當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí)(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(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡(jiǎn)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(shí)，它們的輻射能 量也就越大，因此，我們對(duì)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(hào)輸出端，IC2為信號(hào)輸入端（為簡(jiǎn)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(hào)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(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(shí)，PCB所呈現(xiàn)的分布特性會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號(hào)中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問題。當(dāng)S1到R1的信號(hào)線中有增大的電流時(shí)，外部的磁場(chǎng)變化很快，會(huì)使附近的導(dǎo)體感應(yīng)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，那么會(huì)在地平面上產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流，如果TOP層有一個(gè)完整的電源平面的話，也會(huì)在TOP層有一個(gè)沿藍(lán)色虛線的回流。此時(shí)信號(hào)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(hào)的能力也最小。（高頻時(shí)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(hào)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(gè)和整板供電對(duì)應(yīng)的電流，但不是與圖示信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流）。
因此，按圖中構(gòu)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(hào)線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負(fù)極。可以看到，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，同時(shí)，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號(hào)為一條時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)同向翻轉(zhuǎn)的話，會(huì)使時(shí)鐘上感應(yīng)一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線沒有良好的匹配的話，這個(gè)串?dāng)_足以對(duì)時(shí)鐘信號(hào)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(duì)值成正比，而是和干擾源的電流變化速率成正比，對(duì)于一個(gè)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(hào)未必比高速信號(hào)的串?dāng)_小。也就是我們說的：1KHz的信號(hào)未必是低速信號(hào)，要綜合考慮沿的情況。對(duì)于沿很陡的信號(hào)，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，不要一味選開關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會(huì)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(hào)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(hào)的回流平面。在平常的應(yīng)用中，收發(fā)對(duì)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(hào)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(huì)在信號(hào)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(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(yuǎn)的話，這個(gè)回流也要經(jīng)過“長(zhǎng)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(hào)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(hào)之間的串?dāng)_。
對(duì)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(hào)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(huì)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(duì)于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號(hào)兩端適當(dāng)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(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(shí)
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(hào)的導(dǎo)線，從驅(qū)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(jì)，要對(duì)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(gè)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(shí)，將在空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并對(duì)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(chǎng)。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(chǎng)測(cè)得的電場(chǎng)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(huì)使測(cè)得的輻射增加6dB，考慮到這一點(diǎn)，公式必須乘2，如果對(duì)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(shí)，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(duì)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(hào)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(gè)回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號(hào)形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場(chǎng)強(qiáng)度（或接收空間輻射的能力）最小。
對(duì)于比較長(zhǎng)、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號(hào)返回電流流經(jīng)范圍是以信號(hào)布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號(hào)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(jì)。
04 小結(jié)：
1．當(dāng)信號(hào)布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時(shí)，信號(hào)返回電流對(duì)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(hào)線、數(shù)字器件與模擬信號(hào)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(hào)返回電流對(duì)模擬電路的干擾。
2．高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號(hào)走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅(qū)動(dòng)端。驅(qū)動(dòng)器信號(hào)走線的終端負(fù)載，跨接在信號(hào)走線和與信號(hào)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(shí)，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。
