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6 k/ L- B7 F& a大家好,我是王工。( D) I* E% _. a% Z
2 W( A+ H: i6 ^( [# x0 T6 H0 M; t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?4 r7 x8 r1 ?" d- _
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。/ f* J5 V2 Z/ f, Q+ {2 U
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9 B5 {( R" h: A6 ~" Q' Y- t. x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。* N/ q" N+ f8 j( w& h
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。) A! U9 ], x! t* B# C
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& b" ^; G0 T$ A* s8 F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。
3 c) R0 c+ n- B8 f2 g# n6 L8 C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。+ |7 g- f+ j9 t* k6 k# U6 C0 O; n
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7 q, P) Q1 K" k& c' S% k这张图来源群聊,好像是JT大佬视频来的
2 g0 F6 o- T: P# W7 U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?; T8 M8 v/ ^ A. E
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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8 y1 r& `# O' e' g3 \# r! m! F3 }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) a, r. q9 i, ]- ]/ w
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
% G% j8 Y$ v0 I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。: Y2 `: T% l5 V D' w. m3 |4 B
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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。 E8 G+ a3 @6 [- B! H$ u
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。
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1 o7 }/ \' A: D/ V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。
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! C7 w" E( e: b$ F2、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。
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3、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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$ Y: {0 d1 _% h3 S1 t; p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。
* N; ?* D0 l# \/ n% K' D1 x5 w7 f写在最后
, r& g* J* d/ `" Y* r4 l8 V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。
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7 y4 b$ P, l% m' K* N1 W# t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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