如何使用返回路径实现更好的PCB设计

高速信号不遵循阻力最小的路径；它们遵循阻抗最小的路径。本系列文章为您的下一个项目提供有关 PCB 设计布局的想法。

糟糕的原理图设计和糟糕的 PCB 布局仍然会产生功能板。技能可以随着时间的推移而增加，但运气最终会耗尽。

当工程师第一次开始使用固态电子设备时，芯片工作在更高的电压下，上升时间比今天制造的微芯片慢。但在推动 PCB 和微芯片更小的过程中，我们还降低了它们的工作电压，从而降低了它们的噪声容限。随着我们继续推动越来越低的 IC 工作电压，工程师需要越来越注意他们的选择，以确保他们的设计能够正常工作，而无需进行昂贵且耗时的重新设计。

那么需要注意哪些类型的噪声，以及如何改进设计以避免它们？

故意路由返回路径！传播延迟

电磁场沿导体运行并环绕导体，并渗透其附近的物体。这些场中存在的能量将被转移到你电路的某个地方——希望在你想要的位置。

电磁场的变化以快速但有限的速度传播，并且场的变化需要一些时间才能到达电路的远端。

当玩简单的电路并查看页面上的原理图时，许多人会想象电路的变化会立即发生：按下开关，灯会立即发光。很容易产生一种错误的直觉，即开关状态的变化会立即改变光的状态。

产生这种误解是因为状态的变化超出了人类感知的极限许多数量级。在处理更改传播的时间（传播延迟）与更改状态所需的时间（上升时间/下降时间）相当或超过的电路时，您必须澄清您的思考过程以适应传播延迟。

电磁场的变化将以光速的一小部分在整个电路中传播。PCB 走线上的状态变化（逻辑低到逻辑高）沿产生电流的长度建立电势。该电流在导体周围产生电磁场。但由于电磁场的变化需要时间来传播，因此迹线的两端可能处于两种不同的状态，其中一个过渡点沿长度移动。

电感和电容耦合立即为电流创建一个回路。

该图显示了 PCB 相对两侧的两条导电迹线。当电流开始在顶部迹线中流动时，会立即在底部迹线中建立返回电流。

如果您没有在走线和过孔附近提供即时返回路径，则附近的导体中会形成不需要的电流，尤其是在您有快速转换 （<1ns） 的情况下。

最佳实践规定如下：始终在同一层或相邻层为单端信号、差分对和电源层提供接地返回路径。

始终在同一层或相邻层为单端信号、差分对和电源层提供接地返回路径。

接地回路。图片来自“高速信号传播”的 Howard Johnson 博士，图 5.33，第 353 页。通过Signal Consulting， Inc.

高速信号和最小阻抗路径

高速信号不遵循阻力最小的路径；它们遵循阻抗最小的路径。

当新工程师设计 PCB 时，他们倾向于完全忘记电路返回路径中阻抗的电抗部分，并严格关注电阻。当老工程师设计 PCB 时，他们往往会做同样的事情。谁又能责怪他们呢？很少有人能够使用电磁模拟器，使他们能够可视化电路在各种频率下的行为。

在考虑返回路径时，请记住阻抗的电抗部分随着频率的增加和上升/下降时间的减少变得越来越重要。

即使在适度的频率下，电流的返回路径也会尝试直接在导体下方流动。如果您不提供该路径，它将在您的电路的其他部分中找到一条不太理想的路径——可能会在此过程中创建一个天线。

返回电流寻求阻抗最小的路径。在低频时，接地层中的大部分返回电流直接从负载流向源极。负载和源之间的这条直线代表电阻最小的路径，在低频下，也代表阻抗最小的路径。随着频率的增加，走线与走线正下方的铜之间的互感会形成一条低阻抗路径，从而导致接地层中的返回电流跟随信号层上的走线。

如何在 PCB 设计中使用返回路径

在 PCB 上，通过在其附近的返回路径路由快速变化的信号。差分走线应从封装引脚引出并立即靠近。时钟信号和其他快速上升时间/下降时间信号应该被接地层包围和/或在它们下方有一个完整的、不间断的接地层，以最大限度地减少辐射 EMI噪声。如果您的设计需要 FCC 测试，您甚至可能需要在两个接地层之间路由快速变化的信号，并用过孔缝合围绕它们。

以下两张图片展示了 PCB 布局示例，展示了降低接地噪声的两种方法：

在整个路径中保持差分对在一起

在信号线的正下方或附近提供接地回路

差分对耦合在一起

将接地回路过孔放置在差分对过孔附近，以便在信号从层到层传播时为信号提供接地回路。

在下面的示例中，左侧 PCB 布局从上方显示了几层 PCB 叠层（信号、电源、接地、信号），并演示了电源平面上的布线。在到达接地层之前穿过电源层的信号将与电源层共享电场，而电源层的噪声会在信号线中产生噪声。

右侧的 PCB 部分展示了两条信号迹线周围的接地和缝合。如果互连周围的铜没有连接到下面的接地层，它们可能会成为辐射元件。

结论：利用接地返回通孔和接地返回路径

仔细和深思熟虑地规划接地返回路径将防止不需要的电流在电路中不应出现的部分形成。为您的所有信号（尤其是高速开关信号）提供精心设计的接地回路过孔和接地回路。

审核编辑：汤梓红