電路板設計組織創建參考計劃

2020-11-12

我們在設計中如此仔細地跟蹤走線的信號必須返回其源頭。為此，他們需要設計良好的參考平面以獲得良好的返回路徑。這是電路板總體設計中的關鍵階段，但是，如果在設計返回路徑時未加注意，則電路板的性能可能會受到影響。我們將研究PCB中的返回路徑如何工作，以及在設計中成功創建參考平面的一些技巧。

盡管通常將印刷電路板的走線稱為傳導信號，但事實是，走線與信號的返回路徑協同工作以傳導電壓和電流。這兩個成對的導體產生信號的電場和磁場，該信號穿過導體之間的空間傳播，該空間是分隔走線和返回路徑的介電層。如前所述；正如人們穿過走廊而不是穿過限定走廊的墻壁一樣，信號的能量也要穿過痕跡之間的空間而不是痕跡本身。

信號將使用在其自己的頻率上可以找到的最接近和最簡單的路徑作為返回路徑。在印刷電路板上，最終可能是導線，屏蔽，走線或金屬平面。無論信號能夠找到的最低阻抗路徑如何，它都將用作返回路徑。當電路板以較慢的信號速度運行時，返回信號能夠在更多地方徘徊，以便在返回路徑中找到一條路徑。但是，隨著電路板中信號速度的提高，提供清晰的返回路徑變得越來越重要，以便信號具有不間斷的環路供電流流入。

電路板上信號最理想的返回路徑是大面積的金屬或平面層，該金屬層將成為參考平面。通常，這將是一個接地平面，并且需要在信號走線的相鄰層上，并在它們之間有一層電介質。有了明確定義的走線和參考平面，信號的能量將被包含，并且不會超出平面到達電路板堆疊中的下一層。這有助于防止信號能量干擾該區域中的其他信號。但是，如果未正確完成走線和參考平面的配對，則可能會導致PCB性能出現問題。

這樣的多層布線需要精心設計的參考平面，以實現良好的信號返回路徑

沒有良好的參考平面可能發生的問題

正如我們上面提到的，較早的電路較慢的信號速度對返回路徑的要求并不需要今天的高速電路。甲配電網絡上的那些慢板（PDN）往往多為設計師比的信號的明確返回的便利性而設計的。但是，在當今的高速電路中，缺少良好的信號返回路徑可能會導致電路板中產生大量噪聲。這種噪聲會通過創建錯誤的信令來破壞電路的正確操作。缺少直接返回路徑也會在該路徑中引入阻抗，并在接地層上產生電壓降，導致接地反彈。

信號返回將耦合到它們所能找到的任何位置，如果沒有好的參考平面，則該能量甚至可能與其他跡線耦合。這就是所謂的共模能量，它會在意料之外的地方產生天線，并可能產生額外的噪聲。參考平面還旨在包含在軌跡周圍生成的信號能量場。如果沒有足夠的參考平面靠近走線上的信號，那么這些能量場可能會擴展到電路板的其余部分，或者擴展到其他設備上。

如您所見，為清晰的信號路徑正確設計參考平面非常重要。這里有一些關于如何做到這一點的想法。

PCB的側視圖，顯示了成對的布線選項

成功創建參考平面的建議

為了設計具有良好信號完整性的印刷電路板，需要從電路板層的材料和配置開始的許多工程決策。我們不會研究所有這些細節，而是專注于有效的參考平面的良好PCB設計的一些基礎知識：

將路由信號盡可能保持在一層上：

傳輸線成功路由取決于將跡線與參考平面耦合以獲得良好的信號返回。最好的方法是將走線布線保持在一層上，并使參考平面緊鄰該層。但是，這在實際的PCB設計中并不實用，通常您需要更改層以獲取所有布線。更改層時，請嘗試轉到與同一平面相鄰的下一層。這樣，您的返回路徑可以在同一參考平面上連續不斷。但是，如果確實必須在層堆疊中進一步移動走線，則應使用通過進行地面傳輸。

您可以在上圖中看到這一點。紅線表示走線中的信號方向，而藍線表示平面上的返回路徑。在左側，您可以看到走線的位置向下延伸，穿過多個層的通孔，并且使用傳輸通孔將兩個接地層連接在一起，從而為返回路徑提供不間斷的流動。在右側，走線通孔一直通到下一個信號層，該信號層允許相鄰平面用作兩個信號層的不間斷返回路徑。

不要在分離平面上布置傳輸線：

分割用作參考平面的接地平面將切斷正在通過該區域的任何信號的返回路徑。由于信號必須尋找其他路徑才能返回，因此有可能在電路板上產生大量噪聲。這些信號返回可能會跳到其他信號走線，并在這些線上產生很多共模能量。您可以做的最好的事情就是不要分割接地層。

但是，如果必須拆分地平面，請確保不要在拆分上方布線。在許多情況下，仍然需要在一個點將兩個分開的接地平面連接在一起。正是在這個位置上，您應該嘗試路由任何需要跨越拆分的信號。在其上同時進行了電源和地線分配的平面層幾乎無法提供有效的信號返回方式。另一個潛在的問題是縫隙，切口或成簇的通孔，它們可能在參考平面中為返回路徑設置障礙。在下面的圖片中，您可以看到接地平面中的過孔線如何有效地阻塞了該區域以提供清晰的返回路徑。

上面顯示的過孔線將有效地阻塞此參考平面上的信號返回路徑

模擬和數字部分與信號應相互隔離

這些部分可能會因它們產生的噪聲而相互影響，因此應將它們分開，并且它們的信號返回不應共享同一參考平面。最好在可能的情況下將隔離平面用于電路的不同區域。

使跟蹤路由越短越好

盡管出于時序原因，某些高速走線確實需要增加長度，但通常最好使走線盡可能短。這為信號提供了最直接的路徑，并為您提供了清晰的返回路徑的最佳機會。跡線越短，出現問題的時間就越少。