高速、RF射频信号的参考平面分析

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。