高速電路回流路徑分析（下）
在PCB板上引起回流問題通常有三個(gè)方面：芯片互連，銅面切割，過孔跳躍。下面具體對(duì)這些因素進(jìn)行分析。
01 芯片互連引起的回流問題
當(dāng)數(shù)字電路工作時(shí)，將發(fā)生高、低電壓之間的轉(zhuǎn)換，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線。
對(duì)于數(shù)字器件而言，它引腳輸入電阻可以認(rèn)為無窮大，相當(dāng)于開路（即下圖中的i＝0），事實(shí)上，回路電流是通過芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來返回的。以下以集電極輸出電路作為輸出信號(hào)的內(nèi)部電路為例進(jìn)行分析。
1.驅(qū)動(dòng)端從低電平變化到高電平。當(dāng)輸出信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相當(dāng)于輸出引腳對(duì)傳輸線輸出一個(gè)電流，由于輸入電阻無窮大，我們認(rèn)為對(duì)于芯片而言，沒有電流從輸入管腿上流入，那么，這個(gè)電流必須返回到輸出芯片的電源管腿上。
①信號(hào)走線與電源平面緊鄰
驅(qū)動(dòng)端對(duì)信號(hào)走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的電源平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流直接通過電源平面，從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。
②信號(hào)走線與地平面緊鄰
驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的地平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流必須借助在驅(qū)動(dòng)器輸出端的電源平面和地平面的耦合電容，從地平面跨越到電源平面，再從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。
2.驅(qū)動(dòng)端從高電平變化到低電平，相當(dāng)于輸出引腳吸收傳輸線上的電流。
① 信號(hào)走線與電源平面緊鄰。
負(fù)載對(duì)信號(hào)走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，并通過在驅(qū)動(dòng)器地管腳附近的電源平面和地平面耦合電容，跨越到電源平面，返回負(fù)載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的電源平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。
② 信號(hào)走線與地平面緊鄰。
負(fù)載對(duì)信號(hào)走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，返回負(fù)載端；高頻瞬態(tài)返回電流在信號(hào)走線下方的地平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。
在驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳、地管腳附近，應(yīng)當(dāng)布放電源平面和地平面的耦合電容，為返回電流提供返回通路，否則，返回電流將尋找最近的電源平面和地平面的耦合途徑進(jìn)行回流（使得回流途徑難以預(yù)知和控制，從而對(duì)其他走線造成串?dāng)_）。
02 覆銅切割造成的回流問題解決辦法
地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失。如圖所示，回路電流經(jīng)過地流回，由于電阻R1的存在，勢(shì)必在1和2點(diǎn)產(chǎn)生電壓降，電阻越大，壓降越大，引起對(duì)地電平的不一致，如果有地層，可視為線寬無限大，電阻很小的信號(hào)線。回路電流總是從最靠近信號(hào)的地層上流過，當(dāng)?shù)貙硬恢挂粚訒r(shí)，如果信號(hào)處于兩層地平面之間而兩者又完全相同時(shí)，回路電流將等分在兩個(gè)平面上通過。
1.在布局、布線局部化的條件下，數(shù)字地平面與模擬地平面公用同一塊敷銅平面，即對(duì)數(shù)字地與模擬地不加區(qū)分，數(shù)字電路本身的噪聲并不會(huì)給模擬電路系統(tǒng)帶來額外的噪聲。
2.在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)中，數(shù)字地與模擬地的共地點(diǎn)選擇在板外，即兩敷銅平面完全獨(dú)立，使得數(shù)字電路與模擬電路之間的信號(hào)線不具備傳輸線的特征，給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。數(shù)字電路與模擬電路采用同一個(gè)電源系統(tǒng)，地平面不加分割，在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在布局模塊化、布線局部化的基礎(chǔ)上，數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊公用一個(gè)完整的、不加分割的電壓參考平面，不但不會(huì)增大數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，由于消除了信號(hào)線“跨溝”問題，能夠大幅度降低信號(hào)間的串?dāng)_和系統(tǒng)的地彈噪聲，提高了前端模擬電路的精度。
03 過孔造成的回流問題解決辦法
在印制板信號(hào)布線時(shí)，如果是多層板，很多信號(hào)必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，過孔對(duì)回流的影響有兩種：一是過孔形成溝槽阻斷回流，二是過孔造成的回流跳層流動(dòng)。
1.過孔形成的溝槽
在印制板信號(hào)布線時(shí)，如果是多層板，很多信號(hào)必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，如果過孔在電源或地平面排列比較密集，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)許多過孔連成一片的情況，形成所謂的溝，如圖所示。首先，我們應(yīng)該對(duì)這種情況進(jìn)行分析，看看是否回流需要經(jīng)過溝槽，如果信號(hào)的回流無需經(jīng)過溝槽，就不會(huì)對(duì)回流造成阻礙影響。
如果回路電路要繞過這條溝返回，形成的天線效應(yīng)將急劇增加，對(duì)周邊信號(hào)產(chǎn)生干擾。通常我們可以在涂敷數(shù)據(jù)生成后，對(duì)過孔過密而形成溝槽的地方加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離。
2.過孔形成的跳層現(xiàn)象
下面我們以六層板為例進(jìn)行分析。該六層板有兩個(gè)涂敷層，第二層為地層，第五層為電源層，因此表層和第三層的信號(hào)回流主要在地層；底層和第四層的回流主要在電源層，換層布線時(shí)有以下六種可能：表層<----->第三層，表層<----->第四層，表層<----->底層，第三層<----->第四層， 第三層<----->底層，第四層<----->底層，這六種可能的情況根據(jù)其回路電流的情況可以分為兩大類：回路電流在同一層上和在不同層上流動(dòng)的情況，即是否有跳層現(xiàn)象。
A．回路電流在同一層上流動(dòng)的情況包括表層<----->第三層、第四層<----->底層，如圖所示。在這種情況下，回路電流都在同一層上流動(dòng)，但是，由靜電感應(yīng)原理可知，處于電場中的完整的導(dǎo)體，其內(nèi)部電場強(qiáng)度為零，所有的電流均在導(dǎo)體表面流動(dòng)，地平面和電源平面實(shí)際上就是這樣一個(gè)導(dǎo)體。我們使用的過孔均為通孔，這些過孔經(jīng)過電源和地平面時(shí)留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過了路徑，因此，這些信號(hào)線的回流途徑是很好的，無需采用措施來改善。
B.回路電流在不同層上流動(dòng)的情況包括表層<----->第四層、表層<----->底層、第三層<----->第四層、第三層<----->底層。下面以表層<----->底層和第三層<----->第四層為例，分析其回流情況。具有跳層現(xiàn)象的信號(hào)，需要其在過孔密集區(qū)附近增加一些旁路電容，通常為0.1uf的磁片電容，用來提供一個(gè)回流通路的。
