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高速、RF射频信号的参考平面分析

小王137134492903个月前 (12-25)压电资讯872

对于一个电子爱好者来说,在PCB设计中,参考平面的问题经常让很多人感到困惑。众所周知,电源平面可以作为参考平面,常见的6层板一般都采用电源层作为DDR信号的参考平面。但是,高速、RF射频信号是否同样可以采用电源层作为参考平面呢?今天我们就来一起探讨一下。


关于参考平面 


什么是参考平面? 顾名思义,就是一个平面。如何理解这个平面,首先要了解传输线的概念。我们都知道,必须使用传输线来分析PCB上的信号传输来解释高速电路中的各种现象。最简单的传输线包括:信号路径和参考路径(也称返回路径)。信号在传输线以电磁波的形式传输,信号路径及参考路径构成了电磁波的传输环境;从电流回路的角度讲,信号路径承载信号电流,参考路径承载返回电流,因此参考路径也称返回路径。


就PCB上层走线而言,走线和下面的平面层构成了电磁波传输的物理环境,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。这里和走线下面的平面是什么网络属性都无所谓,VCC、GND、设置是没有网络的孤立铜皮也可以,关键在于下面的平面是导体这就行了。 下图是表层走线的场分布和电流分布:


以内层走线来说,走线、上方平面、下方平面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。下图显示了内层走线的场分布和电流分布图: 


 从图中能够清楚看到,如果两个平面的与走线的距离近似相等,那么两个返回电路也近似相等,此时两个平面同样重要,这样就不难理解内层走线的上下两个平面都是参考平面了。 

参考平面两个点:算阻抗和提供回流路径,所以如果只是单纯满足阻抗一致的要求,无论是GND平面还是电源平面都可以的。但是一般情况下,参考平面主要是作为电流返回的路径,所以就有了以下问题。 


1、信号是如何参考电源平面的? 


上文已分析了电源层也可以作为参考平面算阻抗,那么下面将从电流返回路径上分析。 以一个简单的4层PCB为例,信号通过过孔换层参考电源,其信号的回流路径如下: 



当高速信号在信号线上传播时,在信号向前传播的过程中,由于参考平面之间会存在容性耦合,当发生dV/dt时,就会出现电流经耦合电容流向参考平面的现象,传输线下方位置就会有瞬态电流流回到源端电路。 当电源层作为参考平面时,信号回流会先流向电源层,再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络,最后在经过地层流向源端电路,最终形成一个完整的电源回路。控制好高速信号的回路阻抗非常关键,因为它直接影响到信号传输特性。


2、高速信号能否参考电源层? 


理论上和地平面一样,电源信号层也可以应用于低阻抗的信号返回路径。假设有足够多的旁路电容,那么电源平面传输会和地面一样好,在一个电源面和地平面或者两个电源平面带状传输线也可以工作。 


但是,当信号参考电源层时,回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。它可能是电源地网络上分布复杂的退耦电容,也可能包含电源地层平面之间的平板电容,由于构成复杂,在各频点所表现出来的阻抗特性都不一样,难以量化与控制,所以这个假设很难成立。 即使电源层离信号层更近,返回信号也会经电源层返回到地层,因为信号输入时是以地层为参考层的。


但是如果去耦做的不好,电源层与地层之间的阻抗会很大,那么返回信号会受到很大的阻抗。 信号参考电源层会给信号质量带来影响,电源地层之间的阻抗是影响的主要因素,信号频率越高,带来的影响会越明显。当然,也不是所有信号都不能参考电源,具体多少频率,什么信号可以参考电源,要看实际PCB设计以及PDN网络的实际情况,最好利用仿真软件进行分析验证。 


有些信号设计指定要求参考它本身的电源层,这又是为什么? 这是由于芯片内部信号参考的是电源,那么在PCB上参考电源比较好。但是大多数芯片在设计中高速信号都是参考地,所以在大多数高速信号设计指导中都推荐参考地,虽然在高频带电源去耦电容显示低阻抗特性,电源与地表现为等电位,但由与去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积,从而影响信号质量,所以对于多数高速信号,参考地位以较好。 在此建议:高速信号建议参考地平面,至少有一个完整的地平面;另外电源平面需要与地平面紧耦合,既紧紧挨在一起。


3、RF射频信号能否参考电源层? 


高速信号能否参考电源信号的理论也能解释RF射频信号能否参考电源层的问题,从返回路径来看,RF射频信号更加不合适参考电源层。理由是电源层与地层之间的阻抗和耦合不好就会对RF信号产生很大的影响。要知道,电源层并非真正的地,从EMI角度也不推荐电源层作为微带线的地,信号返回的路径可能会变得很长而受到干扰。 其次,电源、地平面均能作为参考平面,且有一定的屏蔽作用,但相对而言,电源平面具有较高的特征阻抗,与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度而言,地平面一般都做了接地处理,并作为基本电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面。


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