电子产业一站式赋能平台

PCB联盟网

搜索
查看: 182|回复: 0
收起左侧

你说得对 !!! 不懂信号的回流路径,画不好高速PCB

[复制链接]

829

主题

829

帖子

7551

积分

高级会员

Rank: 5Rank: 5

积分
7551
发表于 2024-12-19 11:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

r4hh0bjs4gn6405016551.gif

r4hh0bjs4gn6405016551.gif
: G/ _8 `! H; n- F" ^& X$ l& [
点击上方名片关注了解更多8 }2 d: M+ u8 `  R; T

/ h% c! a9 P& Q$ a9 j
' O/ `: g' ]" |& I) L5 f* Z1 Z+ P8 S8 V' P( X5 l) T
大家好,我是王工。2 S& O( P6 k3 \+ l
' c# K2 X( J5 V$ j
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 `  Y6 P* h5 N8 |2 H- e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。- P9 j) B6 Z" o  I9 Q2 l" ~( W

23zlifs3j5p6405016651.png

23zlifs3j5p6405016651.png
! Z7 H3 f5 d& }. P  _5 z
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。) g  _6 p# P+ E
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。4 w" S) h6 q; @$ f* q) }0 `/ ^  Y5 e

nohwste4rbw6405016751.png

nohwste4rbw6405016751.png

' u( T2 M  t3 |' f' l
& [$ ]) e7 l2 H2 p' V: ]( K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。
6 W6 q- _) n! A* c! A; H8 J9 I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。. ?4 L, h2 t3 f* H7 S/ o2 |) \

lelp41p5tz46405016851.png

lelp41p5tz46405016851.png

# G! g! k$ j4 H5 r, m, m+ N1 p% A这张图来源群聊,好像是JT大佬视频来的
3 Z! F7 M2 J% S3 f1 E6 b3 ?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?. Y4 g6 j; y5 i
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4 p7 ~, X$ q5 V2 l0 d- I

jmvfsxn3qko6405016951.png

jmvfsxn3qko6405016951.png
1 V7 M/ B) a0 y! y
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" @0 L/ t/ }, q. N  h* P+ }
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  D3 I) [; V$ }" r- s7 c, b; C  H! _  V
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。/ T: N+ ^  V' J6 F% G

q0b0ezdsy4h6405017052.png

q0b0ezdsy4h6405017052.png

" o8 ?( I$ d. G0 |2 `- h9 X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。
7 I1 s) i- |, {; K/ y" }3 F, o- |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。
" q3 y" i' Z0 W$ r% A3 l/ ~6 i4 G- }& @& ?
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。
8 z. [8 k5 v5 J5 ]. @( r
9 q) x8 c/ t7 z5 k8 Q2、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。' z& l1 X/ d3 V$ Z& V: i# R

- |7 u- k4 ]# l/ R9 z" B4 W3、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)。
8 o1 L: S  l; b: w. s# X  H0 K# o) F, L5 P' y. c; ^& K
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。
" l% ^$ a3 x' s3 ?7 ~5 G2 D写在最后, E2 q$ g  w* I
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。
. t5 p7 ?- N! \. v7 H0 K0 y: L. h' X4 p* O$ `6 s; i9 ^5 F5 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)- Y' y- ?5 X" _* g

ydrvqikay236405017152.png

ydrvqikay236405017152.png
2 I; h" \5 \' _* T
8 r/ t, {1 X, N$ d/ f5 U- b9 H/ H

3wwdx0xby2k6405017252.png

3wwdx0xby2k6405017252.png
6 f$ Q/ D; Q) _" h2 Q' d4 P
5 l: R' {, Z) z; w3 b4 s& z4 w
6 p. J6 ~6 P' d% S& x: [4 F0 S

r0hdtcxgwnp6405017352.jpg

r0hdtcxgwnp6405017352.jpg

3 k2 V2 W! m  Y7 Z+ X3 i  h2 P+ ^5 O! x1 e6 T
投稿/招聘/推广/宣传/技术咨询 请加微信:woniu26a
' @' L0 r! x' K

45moiwtpqq06405017452.jpg

45moiwtpqq06405017452.jpg

& {& L' J9 _. i- f+ r' r. b' a

21skdm2irhm6405017552.jpg

21skdm2irhm6405017552.jpg

1 Y, R  _' ?8 k; l) H# z5 _声明:
7 ]# H) T" R) v# e/ }: Z声明:原创文章,转载请注明出处。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。推荐阅读▼4 w. C  P5 v1 d% e" ~
电路设计-电路分析1 W& i0 y; B3 p% M4 g+ B1 z! P
EMC相关文章6 h$ m- U: r$ a: m
电子元器件. L8 r/ o% h- q" Q
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表