高速電路PCB “地”、返回路徑、鏡像層和磁通最小化

時(shí)間：2018-10-05 14:20:07

關(guān)鍵字：最小化路徑鏡像

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[導(dǎo)讀]在廣泛使用網(wǎng)絡(luò)這一概念的低速電路中，“地”同樣大行其道，“地”本身就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在低速電路中，之所以不用考慮信號(hào)的返回路徑，就是認(rèn)為所有的電流都將匯合到“地″這個(gè)無(wú)窮大的容器，同時(shí)認(rèn)為“地”就是一個(gè)等

在廣泛使用網(wǎng)絡(luò)這一概念的低速電路中，“地”同樣大行其道，“地”本身就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在低速電路中，之所以不用考慮信號(hào)的返回路徑，就是認(rèn)為所有的電流都將匯合到“地″這個(gè)無(wú)窮大的容器，同時(shí)認(rèn)為“地”就是一個(gè)等勢(shì)體，因此也不關(guān)心其中的電流流動(dòng)。這是一個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。高頻時(shí)，信號(hào)路徑和返回路徑的回路電感要最小化，那么，返回電流是緊靠信號(hào)電流的，只要附近導(dǎo)體允許，返回路徑會(huì)盡量靠近信號(hào)路徑分布。如果周圍沒(méi)有導(dǎo)體可以提供返回路徑，那么自由空間就成為返回路徑，這就帶來(lái)了EMC問(wèn)題。

如圖1所示，平行雙導(dǎo)線傳輸線的兩根導(dǎo)體中一根是信號(hào)路徑，另一根就是返回路徑，兩者沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分；同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體就是信號(hào)路徑，外導(dǎo)體就是返回路徑；共面帶狀線的一條導(dǎo)線是信號(hào)路徑，另一條就是返回路徑；共面波導(dǎo)的中間導(dǎo)體是信號(hào)路徑，兩邊金屬平面是返回路徑；微帶線和帶狀線的窄導(dǎo)體是信號(hào)路徑，導(dǎo)體附近的金屬平面就是返回路徑。讀者可以憑經(jīng)驗(yàn)感受一下｀將同軸電纜的外導(dǎo)體開(kāi)一個(gè)槽，會(huì)對(duì)高速信號(hào)傳輸帶來(lái)什么樣的影響。所以，在設(shè)計(jì)高速電路的過(guò)程中，要丟掉“地”這個(gè)概念，像對(duì)待信號(hào)路徑一樣對(duì)待返回路徑。

圖1 各種傳輸線橫截面

在高速PCB上，無(wú)法用到平行雙導(dǎo)線和同軸電纜。在設(shè)計(jì)低速電路時(shí)，布完線經(jīng)常要進(jìn)行“包地”這個(gè)操作，“包地”形成的傳輸線就是共面波導(dǎo)。在第3章講過(guò)，當(dāng)兩條走線靠得很近時(shí)會(huì)形成串?dāng)_，也就是說(shuō)，—條走線A將另一條走線B作為返回路徑，形成共面帶狀線，這是不希望看到的，因?yàn)樽呔€B并不是故意設(shè)計(jì)來(lái)作為返回路徑的。避免這種串?dāng)_最基本的措施是，用一個(gè)“大的金屬平面”盡量去靠近走線，相比另外一條窄走線B，這個(gè)“大的金屬平面”是一個(gè)更好的返回路徑，這就形成了PCB上的微帶線和帶狀線。而這個(gè)“大的金屬平面”就是鏡像層，也稱“參考平面”，在PCB上通常將其分配給電源和地。

可靠的返回路徑應(yīng)該和信號(hào)路徑平行且靠近。只有這樣，信號(hào)路徑和返回路徑產(chǎn)生的磁力線才會(huì)最大程度地相互抵消，因?yàn)閮烧叻较蛳喾?，這就是磁通最小化原理，如圖2所示，圖2（a）所示的回路面積比圖2（b）所示的小?；芈樊a(chǎn)生的磁通量也比較小。它向周圍產(chǎn)生的輻射較少。在周圍其他信號(hào)線上產(chǎn)生的串?dāng)_也較少。最壞的設(shè)計(jì)就是返回路徑出現(xiàn)斷裂，甚至根本沒(méi)有為信號(hào)路徑提供返回路徑；而最好也是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就是上面提到的采用參考平面（鏡像層）。當(dāng)然還有一些其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)磁通最小化，如：

圖2 回路磁通