前面的章節(jié)我們知道了傳輸線的阻抗不連續(xù)會(huì)發(fā)生反射，并且了解了阻抗匹配抑制反射的方法。而且也知道傳輸線并不僅僅是一條線而是包含了信號(hào)路徑和返回路徑。信號(hào)不只是在信號(hào)路徑中傳輸，需要參考平面提供電流返回路徑才能完成從驅(qū)動(dòng)到負(fù)載之間的傳輸。因此，研究傳輸線、設(shè)計(jì)好PCB、解決SI問(wèn)題不能只關(guān)注信號(hào)路徑，同樣需要處理好信號(hào)的返回路徑。而很多人在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往會(huì)只關(guān)注信號(hào)路徑而忽視了返回路徑。這一節(jié)介紹一下返回路徑處理不好會(huì)有什么影響。

01

返回路徑不連續(xù)的影響

當(dāng)高速信號(hào)線跨過(guò)電源或地平面上的開(kāi)槽時(shí)信號(hào)的返回路徑被打斷，信號(hào)的返回路徑被迫繞過(guò)該區(qū)域，從而使環(huán)路電感增大。如下所示：

（a）返回路徑連續(xù)的理想傳輸線

（b）返回路徑不連續(xù)的傳輸線

上圖（a）所示為返回路徑連續(xù)的理想傳輸線，其阻抗連續(xù)一直為50ohm；（b）圖中的信號(hào)路徑與（a）相同，可能由于信號(hào)線更換參考平面、跨過(guò)參考平面的開(kāi)槽等原因?qū)е滦盘?hào)返回電流的環(huán)路增大，從而使中間這段傳輸線的阻抗增加到了75ohm。這一點(diǎn)我們可以通過(guò)HFSS等3D場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證：

使用HFSS建立微帶線模型，微帶線長(zhǎng)度為1000mil，按照50ohm進(jìn)行阻抗設(shè)計(jì)。在傳輸線的中間有一個(gè)50mil寬度的開(kāi)槽。模型如下所示：

通過(guò)仿真得到傳輸線的阻抗在開(kāi)槽處明顯偏離了50ohm達(dá)到了81ohm左右。這就足以說(shuō)明參考平面不連續(xù)會(huì)帶來(lái)傳輸線阻抗突變，想要抑制阻抗突變獲得連續(xù)的阻抗除了處理好信號(hào)路徑外還需要保證返回路徑的連續(xù)性。

下面我們通過(guò)幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明信號(hào)是如何在驅(qū)動(dòng)器和接收器件之間傳輸?shù)?，從而論證返回路徑的影響。

讓我們分析一下信號(hào)返回路徑的三種情況：

（1）信號(hào)返回路徑是GND平面；

（2）信號(hào)返回路徑為GND和電源平面；

（3）打孔換層導(dǎo)致信號(hào)返回路徑的變更。

下面詳細(xì)分析這三種情況會(huì)帶來(lái)什么樣的影響，進(jìn)而可以得出一些PCB設(shè)計(jì)的規(guī)則。

02

返回路徑不同情況分析

1、信號(hào)返回路徑是GND平面

信號(hào)的返回路徑是GND平面也分為微帶線和帶裝線兩種情況。下面以微帶線的情況進(jìn)行討論：

由于是微帶線信號(hào)只有下方的GND平面一個(gè)參考平面，這個(gè)時(shí)候所有返回電流都是通過(guò)ground平面回流。在信號(hào)的下降沿返回電流通過(guò)GND平面回到驅(qū)動(dòng)器的GND管腳。在信號(hào)的上升沿25mA的返回電流除了經(jīng)過(guò)ground平面還需要流過(guò)PCB或者封裝內(nèi)部的高頻去藕電容或者on die decap才能回到電源管腳完成整個(gè)電流回路。此時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸起決定作用的有兩個(gè)因素：（1）ground平面的環(huán)路電感，如果存在密集過(guò)孔打斷ground平面、IC管腳的fanout以及去耦電容的Fanout處理的不好都會(huì)增加整個(gè)環(huán)路的電感；（2）高頻濾波電容必須靠近電源管腳放置以減小回路電感，芯片內(nèi)部需要有足夠的on die decap。

2、返回路徑分別是電源、地平面的帶狀線

如上圖所示，帶裝線的情況信號(hào)的參考平面有兩個(gè)，一個(gè)是電源平面、一個(gè)是GND平面。電源平面可能是信號(hào)線的IO電源，也可能是其它電源。

1、電源平面恰好是信號(hào)線的IO電源

這種層疊最好，無(wú)論是信號(hào)的上升還是下降沿分布到電源地上的電流都是均衡的，且流過(guò)去耦電容的電流為驅(qū)動(dòng)電流的一半。但是實(shí)際的設(shè)計(jì)中很難做到這種層疊，我們一般所使用的層疊都是保證信號(hào)有一個(gè)完整的gnd作為參考，另一個(gè)參考層可能是信號(hào)的供電電源，也可能是其它電源。但對(duì)于高速信號(hào)而言盡量參考地平面，不能參考參考大電流、高噪聲的電源平面。

2、電源平面和信號(hào)IO電源不同

此種情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的回流路徑更長(zhǎng)，需要額外經(jīng)過(guò)一個(gè)電源。如果驅(qū)動(dòng)端沒(méi)有相應(yīng)電源的濾波電容，信號(hào)的回流路徑將不可預(yù)測(cè)。如下所示驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)2.5V的信號(hào)，其參考的平面為3.3V電源平面。電源地平面到信號(hào)線的距離相差不多的情況下，大概有一半回流信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電源平面回流，但這部分回流最終還是要回到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的2.5V電源完成最終的電流回路。此時(shí)就需要借助驅(qū)動(dòng)器端的3.3V濾波電容，如果沒(méi)有合適的電容也可以依靠3.3V電源平面和地平面之間的平面電容完成回流，但是無(wú)論怎樣都會(huì)增大整個(gè)電流回路的電感，而且電容是具有頻率選擇特性的

以上幾種情況都是基于信號(hào)線有一個(gè)連續(xù)完成的參考平面。當(dāng)信號(hào)線跨分割、通過(guò)過(guò)孔更換參考平面的情況就更加復(fù)雜。

跨分割情況的帶狀線：

信號(hào)線由電源平面跨到GND平面。信號(hào)在參考gnd的時(shí)候環(huán)路的阻抗更小。

有時(shí)候我們?yōu)榱吮ＷC信號(hào)鏈路“表面上不跨分割”，而把電源平面鋪的很大，而有些區(qū)域又沒(méi)有濾波電容提供高頻信號(hào)的回路，這些區(qū)域是不能為信號(hào)提供一個(gè)低阻抗的回流的。

從EMC的角度來(lái)說(shuō)，電源平面如果存在很大無(wú)電容的區(qū)域的話，電源、地平面作為一個(gè)諧振腔會(huì)產(chǎn)生諧振。

3、過(guò)孔換層導(dǎo)致信號(hào)返回路徑的變更

在PCB和封裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免都會(huì)出現(xiàn)打孔換層的情況。打孔換層產(chǎn)生的影響主要有以下兩個(gè)方面：

（1）參考平面的變更，導(dǎo)致信號(hào)回流路徑變更；

（1）即使打孔前后參考的平面沒(méi)有變更，由于孔壁和平面層之間存在電容，會(huì) 有一部分返回電流路徑不可預(yù)期。這個(gè)寄生電容非常小，但在高速serdes設(shè)計(jì)中也不可忽視。

高速信號(hào)設(shè)計(jì)中往往會(huì)去除過(guò)孔上的非功能焊盤(pán)，減小其和其它平面之間的耦合，進(jìn)而減小去耦電容。

注意事項(xiàng)：

（1）打孔換層最好在同一個(gè)參考平面上下兩層進(jìn)行換層（不更換參考平面）。

（2）兩個(gè)走線層都有g(shù)nd平面做參考，在換層過(guò)孔處增加gnd過(guò)孔，使回流路徑連續(xù)。

過(guò)孔反焊盤(pán)的處理涉及到阻抗和串?dāng)_的平衡。

BGA區(qū)域（過(guò)孔密集）反焊盤(pán)過(guò)大會(huì)使信號(hào)的返回路徑不連續(xù)，也會(huì)使串?dāng)_增加。反焊盤(pán)太小會(huì)使信號(hào)過(guò)孔處的阻抗變小，造成阻抗的不連續(xù)。

設(shè)計(jì)時(shí)需要平衡反焊盤(pán)的大小對(duì)阻抗和返回路徑的影響。

對(duì)于1mmBGA的差分布線，在BGA內(nèi)部規(guī)則為4mil線寬/4mil間距，BGA外部規(guī)則為4.5mil線寬/8.5mil間距。

02

返回路徑設(shè)計(jì)總結(jié)

返回路徑的不連續(xù)會(huì)對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)中需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）信號(hào)線盡量避免跨分割，導(dǎo)致參考平面不連續(xù)影響信號(hào)完整性。

（2）即使信號(hào)的返回路徑一直為GND平面，也需要注意GND平面的完整性，不要被密集的過(guò)孔打斷；

（3）通常并行總線，當(dāng)采用帶狀線布線時(shí)，兩個(gè)參考平面中保證主參考平面是GND平面，允許另一個(gè)參考平面是其自身的IO電源。

（4）當(dāng)信號(hào)線參考的電源平面不是自身IO電源時(shí)，信號(hào)的回流情況比較復(fù)雜。因此，高速Serdes信號(hào)最好不要參考電源平面。

（5）過(guò)孔換層情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)參考平面的變更。BGA內(nèi)部的過(guò)孔尺寸以及反焊盤(pán)尺寸的設(shè)計(jì)需要綜合考慮布線串?dāng)_和阻抗變化的影響。