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信号在信号线和参考平面上传输

注入系统的任何电流最终都会返回到电源。

因此,信号不仅在信号线上传播,而且在参考平面上传播,如下图所示。

因此,对于系统而言,保持参考平面的完整性和低阻抗与保持信号线的完整性和低阻抗一样重要。

01信号在信号线和参考平面上传输。

在传统的低速设计中,系统中的环路电流沿着最小的电阻路径流回,而在高速系统中,电流则沿着最小的阻抗环路流回。

在高频下,环路电感的电感远大于其自身的电阻值,因此,阻抗最小的路径也是电感最小的路径。

正常情况下,最小电感的路径直接位于信号线的下方,如下图所示:02高频返回电流沿最小电感的路径回流。

我们将提供信号线返回电流的介质称为参考平面。

在实际系统中,参考平面可以使用VCC或GND。

重要的是要确保参考平面的连续性。

一对差分信号可以互相参考,并且它们对参考平面的依赖性不是很强。

如果PCB上信号的参考平面上存在较大的不连续区域(例如一个沟),则在该沟中,信号环路电流无法通过靠近信号走线表面的路径传输,而必须绕过该沟。

这将电感电抗添加到返回路径,导致接收端信号的高频分量甚至阶跃的严重衰减。

如下图所示:03电路不连续。

尽量不要让信号环路影响设计。

如果不可避免会发生沟渠,可以在沟渠的两端放置一些去耦电容器,以形成一条穿过沟渠的交流路径,并将其提供给高速环路电流。

另一个常见的环路不连续性是信号在不同参考平面之间的切换,这也会给电源系统引入噪声。

下图显示了4层PCB结构。

信号首先在第一层上传输,然后通过通孔传输到第四层以继续传输。

第二层和第三层是参考平面。

当信号在第一层上时,环路电流在与信号路径相反的参考层的第二层上传播;当信号在第四层上时,环路电流也在与信号路径相反的参考层的第三层上传播信号路径。

那么,当信号通过信号过孔时,环路电流如何从第三层流到第二层? 04信号切换参考平面如果参考平面之间没有直流路径,则环路电流只能通过两个平面之间的电容耦合传输。

在下图中,我们可以清楚地看到环路电流是如何从第三层耦合到第二层的。

05环路电流通过两个平面之间的电容耦合。

由于平面之间的耦合程度有限,因此环路电流在过渡过程中将遇到较大的阻抗。

因此,此处的环路电流将在两个平面上产生感应噪声,并传播到系统中的其他位置。

由于此噪声与接地反弹噪声非常相似,因此也称为环路接地反弹。

那么,如何减少环路的反弹噪声呢?如果这两个平面具有相同的电势,例如,它们都是接地平面,那么最直接和有效的方法是在信号过孔附近添加多个接地过孔,以将两个平面直接连接,如下图所示。

形成回路电流流过附近的这些过孔,以保持回路的连续性。

06使用接地过孔来降低环路电感。

如果两个平面的电势不同,例如,一个是VCC,另一个是GND,则为减小环路接地反弹噪声对电源系统的影响,请在两个平面之间增加一些去耦电容,以减小阻抗瞬态AC环路为环路电流。