你说得对 !!! 不懂信号的回流路径，画不好高速PCB

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大家好，我是王工。

最近在看JT大佬出的一本高速pcb设计书籍，看到回流路径这里，让我想到最近两个群里都提到关于这个知识点的问题。书籍很好，但是也会有一些疑问，带着这些疑问我也查找了相关资料，我想着尽可能的结合书中知识以及自己的理解，把这个问题能给大家讲明白，如果有不对的地方，欢迎大家评论区留言。本文要从以下五个小点进行阐述：什么是信号的回流路径？为什么要研究信号的回流路径？高速信号的回流路径和低速信号的回流路径有什么不一样？高速信号的回流路径在信号路径的下方，怎么理解？了解回流路径之后，我们在PCB设计时需要注意什么？
问题1、什么是信号的回流路径？我们先看一张很基础的图，电流从电池的正极出发，流向负载RL，再通过负载的另一端返回电池的负极，整个过程形成一个闭环，电流只能在这个环路中流动，这是电源的回流路径。
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* y1 T: X4 O' S- d5 g4 V信号的回流路径也差不多，信号从某个芯片的驱动引脚流出，经过传输线输送到终端，被另一芯片或其它电路元件接收。然后在信号驱动电压的驱使下，电流通过连接收发两个芯片地引脚的地线，流回驱动电压源的负极。简单说，回流路径就是电流在源端流出，通过某个回路后，再返回来形成一个闭合回路，这个往返过程电流流过的路径就是整个信号的回流路径。
. c" K1 t" J+ g- @' `0 i问题2、为什么要研究信号的回流路径？为什么要研究信号的回流路径？换句话说，我们可以不管信号的回流路径吗？如果我们不管信号的回流路径，会造成什么后果？1、信号完整性问题，信号的回流路径不连续会导致信号反射、衰减和失真。2、信号衰减和噪声干扰，当参考平面出现不连续时，信号的回路电流会受到干扰，从而引发噪声问题。3、电磁干扰EMI，不恰当的回流路径可能导致电磁干扰（EMI），影响系统的稳定运行。
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+ |1 T, R/ i) I6 a, `之所以会引起以上问题，是因为影响高速信号的最主要的因素是环路的寄生电感，电感量越大，环路阻抗越高，产生的感应电压也越高，就会形成强烈的噪声。这个环路就相当于一个环形线圈，会将干扰信号发射出去，同时也会接收外界的干扰，从而引起emc问题。
问题3、高频信号的回流路径和低频信号的回流路径有什么不一样？对于低频信号来说，信号会沿着阻抗最低的路径返回，这句话毋庸置疑。但是高频信号这么说就不一定对，随着信号频率的提高，导线的感抗逐渐加大，所以返回路径为感抗最低的回路，且集中在信号走线的下方，沿着PCB走线方向流动，大家可以看看下面这张图。
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! I; s( I* P% Y3 j. M: S这张图来源群聊，好像是JT大佬视频来的
. T$ b9 F$ b0 s) t( w# W讲到这里，王工有两个疑问：1、寄生电感怎么来的？这不仅是本文重点考虑的因素，其它很多地方也都会听到寄生电感这个词，就算工作多年的工程师，你问他为什么，他可能会回答根据以往的经验得来。2、为什么高速信号返回路径在信号走线的下方？
& G8 d9 I( p1 p3 v! X' J$ _9 l我们先来看第一点，寄生电感怎么来的？先来百度什么是电感，从最基础的开始抓起
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0 R, a% ~5 ^7 k' z从定义可以总结出两点：1、闭合回路；2、感应电流。也就是说只要在闭合回路中，导线上的电流发生变化，就会产生变化的磁场，而变化磁场又会产生反向电场来阻止电流变化，这种属性就是电感，所以我们的电路中都会存在寄生电感。关注公众号硬件笔记本
6 h6 E; O2 k/ c* j1 N. l, ~而我们的感抗XL=2πfL，可以看出频率越高，感抗越大，所以高频信号必须要把寄生电感考虑进去。为什么高速信号返回路径在信号走线的下方？请接着往下看
问题4、高速信号的回流路径在信号路径的下方，怎么理解？再回到JT大佬的书，最上面是高速信号的一个回流路径示意图，信号走顶层，然后通过底层地平面返回。

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再通过一个公式和电流分布图，可得出：返回电流主要分布在走线中心的正下方，而且电流板层越薄，也就是信号跟地平面越靠近，电流分布就越集中。
这个公式看起来有点复杂，不太好理解，大家也不用纠结它怎么来的，记住这个结论就好。

) k# D! h1 y! L- F5 H1 k; u. p问题5、了解回流路径之后，我们在PCB设计时需要注意什么？1、减小信号回流的环路面积。环路面积的大小与线圈辐射和接收电磁波的能力成正比。减小环路面积有利用降低EMC。

  U" b* R& ]9 O4 O9 ?7 p2、走线尽可能短，地平面尽可能完整，且让信号线与回流地平面路径尽可能地靠近。

- D: z# V$ n" X: i1 F2 q- a3、在芯片的引脚就近放置高频小电容，为返回电流提供返回通路，否则返回电流将寻找最近的电源平面和地平面的耦合途径进行回流(使得回流途径难以预知和控制，从而对其它走线造成串扰)。
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以上就是本文的全部内容，王工做了一个简单的介绍，实际应用可能会更复杂，考虑的更多。
2 E2 Z4 m/ h. f2 }2 c- Q. }& Q写在最后
都说硬件工程师越老越吃香，这句话也证明硬件也是需要积累的，王工从事硬件多年，也会不定期分享技术好文，感兴趣的同学可以加微信，或后台回复“加群”，管理员拉你加入同行技术交流群。

以下两个电路，是之前技术交流群群友发的，王工做了一个简单的分析，旨在帮助入门或转行的同学理解学习（点击图片直接进入）
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