使用返回路徑實(shí)現(xiàn)更好的PCB設(shè)計(jì)步驟概述！

高速信號(hào)不遵循阻力最小的路徑;他們遵循阻抗最小的路徑。本系列文章介紹了下一個(gè)項(xiàng)目的PCB設(shè)計(jì)布局。

昨天的電子產(chǎn)品非常寬容。糟糕的原理圖設(shè)計(jì)和糟糕的PCB布局仍然會(huì)產(chǎn)生功能板。技能可以隨著時(shí)間的推移而增加，但運(yùn)氣最終會(huì)耗盡。

當(dāng)工程師第一次開(kāi)始使用固態(tài)電子產(chǎn)品時(shí)，芯片的工作電壓更高，上升時(shí)間比現(xiàn)在制造的芯片更慢。但是，為了使PCB和微芯片更小，我們還降低了工作電壓，降低了噪聲容限。隨著我們繼續(xù)推動(dòng)降低和降低IC工作電壓，工程師需要越來(lái)越多地考慮他們的選擇，以確保他們的設(shè)計(jì)無(wú)需昂貴且耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)。

那么什么類(lèi)型的噪聲要注意，以及如何改進(jìn)設(shè)計(jì)以避免它們？

本文是受到主題演講啟發(fā)的幾篇文章之一，由Eric Bogatin博士在Altium Live 2018上發(fā)表。

故意路線(xiàn)返回路徑！傳播延遲

電磁場(chǎng)沿著并圍繞導(dǎo)體并滲透其附近的物體。這些場(chǎng)中存在的能量將被轉(zhuǎn)移到你想要的位置。

電磁場(chǎng)的變化以快速但有限的速度傳播，并且需要一些時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)變化到達(dá)電路的遠(yuǎn)端。

當(dāng)玩簡(jiǎn)單的電路并查看頁(yè)面上的原理圖時(shí)，很多人會(huì)想象電路中的變化立即發(fā)生：按下開(kāi)關(guān)并出現(xiàn)指示燈瞬間閃耀。很容易產(chǎn)生一種錯(cuò)誤的直覺(jué)，即開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化會(huì)立即改變光的狀態(tài)。

誤解的發(fā)生是因?yàn)闋顟B(tài)的變化超過(guò)了人類(lèi)感知的極限，達(dá)到了很多個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)處理傳播變化的時(shí)間（傳播延遲）與改變狀態(tài)所需的時(shí)間（上升時(shí)間/下降時(shí)間）相當(dāng)或超過(guò)的電路時(shí)，您必須澄清您的思維過(guò)程以適應(yīng)傳播延遲。/p》

電磁場(chǎng)的變化將以光速的一小部分傳播到整個(gè)電路中。 PCB走線(xiàn)上的狀態(tài)變化（邏輯低至邏輯高）沿著產(chǎn)生電流的長(zhǎng)度建立電勢(shì)。該電流在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)。但由于電磁場(chǎng)的變化需要時(shí)間傳播，因此跡線(xiàn)的兩端可能處于兩種不同的狀態(tài)，其中一個(gè)過(guò)渡點(diǎn)沿著長(zhǎng)度移動(dòng)。

電感耦合和電容耦合立即為電流創(chuàng)建一個(gè)返回電路。

此圖顯示兩個(gè)導(dǎo)電PCB兩側(cè)的跡線(xiàn)。當(dāng)電流開(kāi)始在頂部跡線(xiàn)中流動(dòng)時(shí)，在底部跡線(xiàn)中立即建立返回電流。

如果您沒(méi)有提供立即返回路徑您的走線(xiàn)和過(guò)孔，不需要的電流將在附近的導(dǎo)體中形成，特別是如果您有快速轉(zhuǎn)換（《1ns）。

最佳實(shí)踐規(guī)定如下：始終在同一層或相鄰層中提供接地返回路徑用于單端信號(hào)，差分對(duì)和電源層的層。

始終在同一層或相鄰層中為單端信號(hào)，差分對(duì)和電源層提供接地返回路徑。

地面返回途徑。來(lái)自“高速信號(hào)傳播”的Howard Johnson博士的圖片，圖5.33，第353頁(yè)，來(lái)自Signal Consulting，Inc。

高速信號(hào)和最小阻抗路徑

高速信號(hào)不遵循阻力最小的路徑;它們遵循阻抗最小的路徑。

當(dāng)新工程師設(shè)計(jì)PCB時(shí)，他們傾向于完全忘記電路返回路徑中阻抗的無(wú)功部分，并嚴(yán)格關(guān)注電阻。當(dāng)老工程師設(shè)計(jì)PCB時(shí)，他們傾向于做同樣的事情。誰(shuí)又能責(zé)怪他們呢？很少有人能夠使用電磁模擬器，使他們可以看到電路在不同頻率下的行為。

在考慮返回路徑時(shí)，請(qǐng)記住，隨著頻率的增加，阻抗的無(wú)功部分變得越來(lái)越重要，隨著上升/下降時(shí)間減少。

在均勻的適度頻率下，電流的返回路徑將嘗試直接在導(dǎo)體下方流動(dòng)。如果你沒(méi)有提供這條路徑，它會(huì)發(fā)現(xiàn)一條不太理想的路徑通過(guò)電路的其他部分 - 也許是沿途創(chuàng)建天線(xiàn)。

返回電流尋找阻抗最小的路徑。在低頻時(shí)，地平面中的大部分返回電流直接從負(fù)載流到源。負(fù)載和源之間的這條直線(xiàn)表示最小電阻的路徑，并且在低頻時(shí)表示最小阻抗的路徑。隨著頻率的增加，走線(xiàn)和走線(xiàn)正下方銅線(xiàn)之間的互感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低阻抗路徑，導(dǎo)致接地層中的返回電流跟隨信號(hào)層上的走線(xiàn)。

如何在PCB設(shè)計(jì)中使用返回路徑

在PCB上，路由快速變化的信號(hào)，并在其附近有返回路徑。差分走線(xiàn)應(yīng)從封裝引腳出來(lái)并立即緊密接近。時(shí)鐘信號(hào)和其他快速上升時(shí)間/下降時(shí)間信號(hào)應(yīng)由地面澆注包圍和/或在其下方具有完整的，不間斷的接地平面，以最大限度地減少輻射EMI噪聲。如果您的設(shè)計(jì)需要FCC測(cè)試，您甚至可能需要路由兩個(gè)接地層之間的快速變化信號(hào)，并用通孔縫合環(huán)繞它們。

以下兩個(gè)圖像展示了PCB布局示例，展示了兩種降低接地噪聲的方法：

通過(guò)整個(gè)路徑將差分對(duì)保持在一起

在信號(hào)線(xiàn)的正下方或旁邊提供接地返回路徑

耦合在一起的差分對(duì)

在差分對(duì)過(guò)孔附近放置接地回路過(guò)孔，為信號(hào)在層與層之間傳播時(shí)提供接地回路。

在下面的例子中，左邊的PCB la您將從上方（信號(hào)，電源，接地，信號(hào)）顯示多個(gè)PCB層，并演示通過(guò)電源層布線(xiàn)。在到達(dá)接地層之前，移動(dòng)電源的信號(hào)將與電源平面共享其電場(chǎng)，并且平面的噪聲會(huì)在信號(hào)線(xiàn)中產(chǎn)生噪聲。

右側(cè)的PCB部分顯示了接地澆注和縫合兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)附近。如果銅線(xiàn)沒(méi)有連接到下面的地平面，則銅線(xiàn)在互連線(xiàn)周?chē)鷷?huì)變成輻射元件。

結(jié)論：利用地面返回通孔和接地回路

仔細(xì)而有意地規(guī)劃接地回路，可以防止不必要的電流在電路的某些部分形成。為所有信號(hào)提供有意的接地回路過(guò)孔和接地回路 - 尤其是高速開(kāi)關(guān)信號(hào)。