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  • PCB走线的参考平面在哪?

    发布时间:2017-4-9

    很多人对于PCB走线的参考平面感到迷惑,经常有人问:对于内层走线,如果走线一侧是VCC,另一侧是GND,那么哪个是参考平面?要弄清楚这个问题,必须对了解传输线的概念。我们知道,必须使用传输线来分析PCB上的信号传输,才能解释高速电路中出现的各种现象。最简单的传输线包括两个基本要素:信号路径、参考路径(也称为返回路径)。信号在传输线上是以电磁波的形式传输的,传输线的两个基本要素构成了电磁波传输的物理环境。从电磁波传输的角度来讲,信号路径和参考路径一道构成了一个特殊物理结构,电磁波在这个结构中传输。从电流回路角度来讲,信号路径承载信号电流,参考路径承载返回电流,因此参考路径也称为返回路径。

     

    对于PCB上的表层走线,走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。这里,走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓,VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮,都可以构成这样的电磁波传输环境,关键在于下面的平面是导体,这就够了。信号路径是表层走线,所以下面的平面就是参考路径。对于PCB上这一特殊结构,参考路径是以平面的形式出现的,所以也叫参考平面。从电流回路的角度来说,参考平面承载着信号的返回电流,所以也叫返回平面。下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。这里参考平面的作用应该很清楚了:作为电磁波传输物理环境的一部分(从电磁波传输角度)、作为电流返回路径(从电流回路角度)。

     

    如果搞懂了上面的逻辑,那么内层走线的参考平面在哪就很清楚了,走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境,所以上下两个平面都是信号的参考路径,也就是参考平面,从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。从构成电流回路的角度来看,下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分布,如果两个平面和走线之间的间距近似相等,那么两个平面上的返回电流也近似相等,此时,两个平面同样重要。从这个角度也能很好的理解两个平面都是参考平面。如果还是无法理解为什么两个平面都是参考平面,不防好好看看下面的这个图,无论从哪个方面来看,两个平面是完全对称的,为什么还纠结哪个是参考平面,如果一个是,那么另一个为什么不是?

     

    理解参考平面的最直接的方法就是“构成电磁波传输的物理环境”。看看感到困惑的结构,是否满足这个条件?很宽的无网络孤立铜皮可以么?当然导体必须是“平面形式”才能称为“参考平面”,要不然何来平面之说!前文指出了如果两个平面和走线的间距近似相等(这种情况在十几层的板子上很常见)时,那么两个平面对于走线的重要性也近似一样。实际工程中我们还会碰到另一种情况,两个平面其中之一距离走线很近,另外一个距离走线很远,比如典型的6层板配置,中间的芯板(Core)厚度通常在1毫米以上。下图是一个6层板层叠示例,内层两个信号层InnerSignal1和InnerSignal2都属于这种情况,这时两个平面对内层走线的作用肯定是不同的。这时哪个是参考平面?

     

    先看平面上的返回电流,对于InnerSignal2来观察远离它的VCC平面上的返回电流有多少。下图是红色表示的是信号电流10mA,蓝色表示的就是VCC上的返回电流约1.2mA。远离InnerSignal2的VCC上的返回电流很少,有近90%的返回电流时从紧邻InnerSignal2的GND平面上返回的,GND平面对InnerSignal2影响远大于VCC平面。再看VCC平面对InnerSignal2层走线阻抗的影响。下图将有VCC平面和没有VCC平面两种情况下走线阻抗做了一个对比,即使拿掉VCC平面也没有对走线阻抗产生致命的影响,阻抗变化量不到1欧姆,变化率小于2%。从工程角度来讲可以近似认为InnerSignal2层走线参考平面就是和它最接近的GND平面。

     

    尽管可以这样近似,但关键是一定要清楚距离InnerSignal2层很远的那个VCC平面不是没有影响,只不过影响不大而已。任何时候不要把问题绝对化,这样对初学者有百害而无一利,如果总是追求非此即彼、非黑即白,很可能会走入死胡同。

     

    高速电路信号完整性设计中,很多问题都是这样,你要关注的不是“有”还是“没有”的问题,而是“多”和“少”的问题。这样在对付毫不讲情面的电路板的时候才能有足够的底牌,防止它耍脾气撂挑子,最大限度的掌控它。

     

     

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