電路板設計組織創(chuàng )建參考計劃

2020-11-12

我們在設計中如此仔細地跟蹤走線(xiàn)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(guān)鍵階段，但是，如果在設計返回路徑時(shí)未加注意，則電路板的性能可能會(huì )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(chuàng )建參考平面的一些技巧。

盡管通常將印刷電路板的走線(xiàn)稱(chēng)為傳導信號，但事實(shí)是，走線(xiàn)與信號的返回路徑協(xié)同工作以傳導電壓和電流。這兩個(gè)成對的導體產(chǎn)生信號的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，該信號穿過(guò)導體之間的空間傳播，該空間是分隔走線(xiàn)和返回路徑的介電層。如前所述；正如人們穿過(guò)走廊而不是穿過(guò)限定走廊的墻壁一樣，信號的能量也要穿過(guò)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(jiǎn)單的路徑作為返回路徑。在印刷電路板上，最終可能是導線(xiàn)，屏蔽，走線(xiàn)或金屬平面。無(wú)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(shí)，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(zhù)電路板中信號速度的提高，提供清晰的返回路徑變得越來(lái)越重要，以便信號具有不間斷的環(huán)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(gè)接地平面，并且需要在信號走線(xiàn)的相鄰層上，并在它們之間有一層電介質(zhì)。有了明確定義的走線(xiàn)和參考平面，信號的能量將被包含，并且不會(huì )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(xiàn)和參考平面的配對，則可能會(huì )導致PCB性能出現問(wèn)題。

這樣的多層布線(xiàn)需要精心設計的參考平面，以實(shí)現良好的信號返回路徑

沒(méi)有良好的參考平面可能發(fā)生的問(wèn)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(wǎng)絡(luò )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(huì )導致電路板中產(chǎn)生大量噪聲。這種噪聲會(huì )通過(guò)創(chuàng )建錯誤的信令來(lái)破壞電路的正確操作。缺少直接返回路徑也會(huì )在該路徑中引入阻抗，并在接地層上產(chǎn)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(méi)有好的參考平面，則該能量甚至可能與其他跡線(xiàn)耦合。這就是所謂的共模能量，它會(huì )在意料之外的地方產(chǎn)生天線(xiàn)，并可能產(chǎn)生額外的噪聲。參考平面還旨在包含在軌跡周?chē)傻男盘柲芰繄?chǎng)。如果沒(méi)有足夠的參考平面靠近走線(xiàn)上的信號，那么這些能量場(chǎng)可能會(huì )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(jiàn)，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(guān)于如何做到這一點(diǎn)的想法。

PCB的側視圖，顯示了成對的布線(xiàn)選項

成功創(chuàng )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(kāi)始的許多工程決策。我們不會(huì )研究所有這些細節，而是專(zhuān)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(xiàn)成功路由取決于將跡線(xiàn)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(xiàn)布線(xiàn)保持在一層上，并使參考平面緊鄰該層。但是，這在實(shí)際的PCB設計中并不實(shí)用，通常您需要更改層以獲取所有布線(xiàn)。更改層時(shí)，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(shí)必須在層堆疊中進(jìn)一步移動(dòng)走線(xiàn)，則應使用通過(guò)進(jìn)行地面傳輸。

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

不要在分離平面上布置傳輸線(xiàn)：

分割用作參考平面的接地平面將切斷正在通過(guò)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(chǎn)生大量噪聲。這些信號返回可能會(huì )跳到其他信號走線(xiàn)，并在這些線(xiàn)上產(chǎn)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(xiàn)。在許多情況下，仍然需要在一個(gè)點(diǎn)將兩個(gè)分開(kāi)的接地平面連接在一起。正是在這個(gè)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(shí)進(jìn)行了電源和地線(xiàn)分配的平面層幾乎無(wú)法提供有效的信號返回方式。另一個(gè)潛在的問(wèn)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(guò)孔線(xiàn)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(guò)孔線(xiàn)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(huì )因它們產(chǎn)生的噪聲而相互影響，因此應將它們分開(kāi)，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(shí)序原因，某些高速走線(xiàn)確實(shí)需要增加長(cháng)度，但通常最好使走線(xiàn)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(huì )。跡線(xiàn)越短，出現問(wèn)題的時(shí)間就越少。