再说一说信号的返回电流

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原文授权自:信号完整性学习之路

为了验证信号不同频率分量返回电流的电流密度分布情况如何,用ansys的软件进行了仿真,在仿真的软件,可设置不同求解频率

返回电流

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仿真统计了三种不同的频率(100MHz、500MHz、1GHz)返回电流分布情况,如下所示:

100MHz返回电流分布情况:

返回电流

500MHz返回电流分布情况:

返回电流

1GHz返回电流分布情况:

返回电流

由上面的三种电流分布情况,总结一下:

频率越高,返回电流越靠近表层

信号线下方的返回电流密度最大

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三种电流分布情况说明一种现象:趋肤效应 (skin effect)。所谓趋肤效应是指当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,随着频率的增加,电流更多集中在导体外表的薄层,也就是说越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小,结果使导体的电阻交流增加,使它的损耗功率也增加。

趋肤深度的公式:

返回电流

默认为体电阻率是一个常数,跟频率无关,那么可以简化趋肤深度公式:

返回电流

频率在1GHz的时候,趋肤深度大约是2.1um。

数字信号是包含各种频谱分量的,不同频率分量在信号路径和返回路径说感受的阻力是不同的,这不仅仅是趋肤深度问题,还关系到损耗的问题。低频分量,电流整个均匀分布,以导体损耗为主,高频分量,电流趋于表面密度变大,以介质损耗为主。

1MHz电流分布情况,如下图所示,说明电流贯穿整个导体,已不受趋肤深度的影响。

返回电流

返回路径足够宽,低频直流部分电流分布在横截面上比较均匀,返回路径电阻比信号路径电阻小很多。这时候传输线的直流电阻,示意图和公式如下:

返回电流

返回电流

信号在有损传输线的损耗是导体损耗和介质损耗之和。

导体损耗公式:

返回电流

w表示传输线宽度,Z0表示传输线特性阻抗,f表示正弦波频率分量(单位为GHz)

这里面需要注意的是,导体损耗除了和线宽、阻抗还有频率分量有关,在实际产品设计中,还需要注意铜箔的粗糙度。

返回电流

下图为仿真组件对铜箔粗糙度的设置:

返回电流

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叠层设计中,使用的标准铜箔的粗糙度一般为8 um左右,超低损耗铜箔(HVLP)一般为1um左右,仿真得出粗糙度引起损耗的差别,如下图所示:

返回电流

介质损耗公式:

返回电流

以上两个公式,说的是单位长度(1 inch)的导体损耗和介质损耗引起的衰减。

搭建相关的仿真链路,可直观地看出损耗就是导体损耗和介质损耗之和。

返回电流

返回电流

下面动图可以更直观看到信号的返回电流流动情况:

返回电流

总结一下信号的返回电流:

低频,返回电流是往最低电阻的路径流动

高频,返回电流是往最低阻抗的路径回流,阻抗主要成分是感抗

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