高速信號不遵循阻力最小的路徑;他們遵循阻抗最小的路徑。本系列文章介紹了下一個項目的PCB設(shè)計布局。

昨天的電子產(chǎn)品非常寬容。糟糕的原理圖設(shè)計和糟糕的PCB布局仍然會產(chǎn)生功能板。技能可以隨著時間的推移而增加，但運氣最終會耗盡。

當(dāng)工程師第一次開始使用固態(tài)電子產(chǎn)品時，芯片的工作電壓更高，上升時間比現(xiàn)在制造的芯片更慢。但是，為了使PCB和微芯片更小，我們還降低了工作電壓，降低了噪聲容限。隨著我們繼續(xù)推動降低和降低IC工作電壓，工程師需要越來越多地考慮他們的選擇，以確保他們的設(shè)計無需昂貴且耗時的重新設(shè)計。

那么什么類型的噪聲要注意，以及如何改進設(shè)計以避免它們？

本文是受到主題演講啟發(fā)的幾篇文章之一，由Eric Bogatin博士在Altium Live 2018上發(fā)表。

故意路線返回路徑！傳播延遲

電磁場沿著并圍繞導(dǎo)體并滲透其附近的物體。這些場中存在的能量將被轉(zhuǎn)移到你想要的位置。

電磁場的變化以快速但有限的速度傳播，并且需要一些時間。現(xiàn)場變化到達電路的遠端。

當(dāng)玩簡單的電路并查看頁面上的原理圖時，很多人會想象電路中的變化立即發(fā)生：按下開關(guān)并出現(xiàn)指示燈瞬間閃耀。很容易產(chǎn)生一種錯誤的直覺，即開關(guān)狀態(tài)的變化會立即改變光的狀態(tài)。

誤解的發(fā)生是因為狀態(tài)的變化超過了人類感知的極限，達到了很多個數(shù)量級。當(dāng)處理傳播變化的時間（傳播延遲）與改變狀態(tài)所需的時間（上升時間/下降時間）相當(dāng)或超過的電路時，您必須澄清您的思維過程以適應(yīng)傳播延遲。/p》

電磁場的變化將以光速的一小部分傳播到整個電路中。 PCB走線上的狀態(tài)變化（邏輯低至邏輯高）沿著產(chǎn)生電流的長度建立電勢。該電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生電磁場。但由于電磁場的變化需要時間傳播，因此跡線的兩端可能處于兩種不同的狀態(tài)，其中一個過渡點沿著長度移動。

電感耦合和電容耦合立即為電流創(chuàng)建一個返回電路。

此圖顯示兩個導(dǎo)電PCB兩側(cè)的跡線。當(dāng)電流開始在頂部跡線中流動時，在底部跡線中立即建立返回電流。

如果您沒有提供立即返回路徑您的走線和過孔，不需要的電流將在附近的導(dǎo)體中形成，特別是如果您有快速轉(zhuǎn)換（《1ns）。

最佳實踐規(guī)定如下：始終在同一層或相鄰層中提供接地返回路徑用于單端信號，差分對和電源層的層。

始終在同一層或相鄰層中為單端信號，差分對和電源層提供接地返回路徑。

地面返回途徑。來自“高速信號傳播”的Howard Johnson博士的圖片，圖5.33，第353頁，來自Signal Consulting，Inc。

高速信號和最小阻抗路徑

高速信號不遵循阻力最小的路徑;它們遵循阻抗最小的路徑。

當(dāng)新工程師設(shè)計PCB時，他們傾向于完全忘記電路返回路徑中阻抗的無功部分，并嚴(yán)格關(guān)注電阻。當(dāng)老工程師設(shè)計PCB時，他們傾向于做同樣的事情。誰又能責(zé)怪他們呢？很少有人能夠使用電磁模擬器，使他們可以看到電路在不同頻率下的行為。

在考慮返回路徑時，請記住，隨著頻率的增加，阻抗的無功部分變得越來越重要，隨著上升/下降時間減少。

在均勻的適度頻率下，電流的返回路徑將嘗試直接在導(dǎo)體下方流動。如果你沒有提供這條路徑，它會發(fā)現(xiàn)一條不太理想的路徑通過電路的其他部分 - 也許是沿途創(chuàng)建天線。

返回電流尋找阻抗最小的路徑。在低頻時，地平面中的大部分返回電流直接從負載流到源。負載和源之間的這條直線表示最小電阻的路徑，并且在低頻時表示最小阻抗的路徑。隨著頻率的增加，走線和走線正下方銅線之間的互感會產(chǎn)生一個低阻抗路徑，導(dǎo)致接地層中的返回電流跟隨信號層上的走線。

如何在PCB設(shè)計中使用返回路徑

在PCB上，路由快速變化的信號，并在其附近有返回路徑。差分走線應(yīng)從封裝引腳出來并立即緊密接近。時鐘信號和其他快速上升時間/下降時間信號應(yīng)由地面澆注包圍和/或在其下方具有完整的，不間斷的接地平面，以最大限度地減少輻射EMI噪聲。如果您的設(shè)計需要FCC測試，您甚至可能需要路由兩個接地層之間的快速變化信號，并用通孔縫合環(huán)繞它們。

以下兩個圖像展示了PCB布局示例，展示了兩種降低接地噪聲的方法：

通過整個路徑將差分對保持在一起

在信號線的正下方或旁邊提供接地返回路徑

耦合在一起的差分對

在差分對過孔附近放置接地回路過孔，為信號在層與層之間傳播時提供接地回路。

在下面的例子中，左邊的PCB la您將從上方（信號，電源，接地，信號）顯示多個PCB層，并演示通過電源層布線。在到達接地層之前，移動電源的信號將與電源平面共享其電場，并且平面的噪聲會在信號線中產(chǎn)生噪聲。

右側(cè)的PCB部分顯示了接地澆注和縫合兩個信號線附近。如果銅線沒有連接到下面的地平面，則銅線在互連線周圍會變成輻射元件。

結(jié)論：利用地面返回通孔和接地回路

仔細而有意地規(guī)劃接地回路，可以防止不必要的電流在電路的某些部分形成。為所有信號提供有意的接地回路過孔和接地回路 - 尤其是高速開關(guān)信號。