高速电路之信号回流路径分析

摘要：在高速数字系统电路设计中，电磁兼容性、信号完整性和电源完整性等问题紧密的交织在一起，成为高速电路设计的挑战。信号线与信号回流路径之间的位置与电磁兼容性、信号完整性问题有着直接的关系，处理好信号线与信号回流路径之间的关系，对解决电磁兼容性、信号完整性及电源完整性问题有不可忽视的作用。
关键词：高速电路；信号回流路径；电磁兼容；信号完整性

0 引言
随着半导体技术的快速发展，高速数字系统时钟频率越来越高。目前，大部分的数字系统的时钟频率高于100 MHz。并且在电路设计领域，电路系统正朝着大规模、小体积、高速度、高密度的方向飞速发展。这样就带来了一个问题，即芯片体积减小导致电路布局、布线很困难，信号频率还在逐年增高，边沿速率越来越快，PCB上的电磁问题更复杂。此外电子设备越来越广泛的应用于生活和工作之中，电子设备的电磁环境越来越复杂，电磁兼容问题越来越重要。
总之，电子技术的发展给高速数字系统设计带来了挑战。

1 传输线
衡量数字系统性能的一个重要指标就是处理芯片的时钟频率。如果一个数字系统的时钟频率达到50 MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的一定份量(比如1／3)，可称之为高速电路。实际上信号的谐波频率比信号本身的重复频率高，信号快速变化的上升沿与下降沿引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果走线传输时延大于驱动端信号上升时间的20％，则认为此类信号是高速信号并可能产生传输线效应。

如图1所示，不管信号从S1发送端到S2接收端之间采用哪种物理连接(微带线、带状线、同轴电缆还是跳线)，也不管中间是否经历过孔或者线宽变化，S2端能实时和不失真的反映S1端的波形变化。当然这是一种理想状况，对于低速信号是合理的。但是对于高速信号，就完全不一样了，一个信号从S1输出，到达S2端可能就完全失真了，完全没有考虑信号电流是如何返回的。所以引入传输线的概念，传输线通常被定义为一个合适在两个或多个终端之间有效传输电能量或电信号的传输系统，传输线包含两条导线：信号路径和信号返回路径。

2 信号完整性
信号完整性是指信号在传输路径(传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒介)上的质量，即驱动端输出的信号经过传输路径后，接收端能以正确的时序和电压做出响应的能力。如果电路设计能够达到把信号以规定的时序、持续时间和电压幅值在互连系统中传输，就表明该电路具有良好的信号完整性。当信号上升时间减小到一定的程度，电路板上的寄生电容和寄生电感开始导致一些可能影响电路性能的噪声信号和瞬态信号时，就需要考虑信号的完整性问题，它可能会造成以下问题的发生：
(1)EMC(辐射及外界辐射的干扰)；
(2)在一个网络上的反射；
(3)网络之间的串扰；
(4)在元件切换时，电源系统的稳定性。
为了提高高速信号质量，需理解如下三个重要的电子学原理：
(1)电流是电子的流动；
(2)电流只能在闭合的回路中流动；
(3)电流在闭合回路中是恒定的。
因此得出基本理论：每个信号都有一个返回信号，存在一条信号回流路径。
一般来说，PCB设计者会花费大量的时间和精力对信号线的流动路径进行设计规划，对于返回信号则不处理，任凭信号随机寻找路径返回。而导致信号线完整性问题的一个基本原因就是缺少对信号回流路径的控制。
与低速情况下的数字电路设计相比，高速数字电路设计着重强调了数字电路之间用来传输信号的路径，需要关注从发送信号芯片到接收芯片间的完整的电流路径即信号传输线。

3 信号回流路径
3．1 概述
通常情况下都是利用PCB的某个层来控制信号回路，使用参考层是对各种问题都通用的一种方法。在多层PCB中，经常将介质之间的若干个金属层分配给电源网络和地网络，这样PCB上的走线大致可以分为两类：微带线及带状线。微带线的附近只有一个金属平面，导体通常位于PCB的表层；带状线的两边都有金属平面，可以较好地防止辐射。
在高速电路设计中，参考层起着以下重要的作用：
(1)控制EMI；
(2)稳定走线阻抗，能控制信号反射；
(3)控制串扰；
(4)使电源系统高频去耦。
为了保证高速信号的有效传输，最合理的措施就是为每个信号提供至少一个参考平面作为其返回路径。[p]
3．2 回流路径在电路板上的分布
电流总是选择阻抗最小的路径通过，如何确认在参考层上的哪些地方是这些信号回流的低阻抗路径，就和信号之间存在耦合有着直接的关系。如图2所示，走线1上流过一个变化的电流I1，变化的电流会在走线1的周围产生一个变化的磁场，这个变化的磁场会以系数k耦合到走线2上，根据楞次定律，在走线2上将产生一个电流，大小是kI1，方向与I1相反。耦合系数的值在0～1．0之间。k的值主要取决于：电流变化的快慢，或者说上升时间(di／dt)大小；走线之间的距离(图中用D表示)。上升时间越短，走线之间距离越近，耦合系数越大。考虑I1是信号，I2是回流信号，此时I2=-I1，耦合信号kI1有助于回流电流的流动。回流电流I2同样耦合到I1，推动I1流动。所以这种信号本身与回流信号之间的相互耦合加强了或者说推动了彼此的效果。可以从两个方面来解释这种效果：

(1)由于这些电流相互加强，所以只需要较小的电压就可以推动同样的电流在电路中流动；
(2)由于每一条走线中的电流都被加强了所以同样的电压可以推动更大的电流流动；
不管是哪种解释都说明了这种类型耦合存在时，就会加强电流的流动。
信号耦合对信号回流路径在参考层的分布有影响，如图3所示，它画的是微带线，位于参考层上方。假设信号回流路径只能在b点或者c点，由于b点到信号电流的距离比c点到信号电流的距离近，所以b点的耦合程度比c点耦合程度强，由于耦合变强，阻抗会减小，而电流总是选择阻抗最小的路径通过，所以信号回流路径便选择为b点。由于a点是回流电流和信号电流距离最近的一点，就在信号线下方，因此a点存在着最大的耦合，使得a点的阻抗最小，信号回流电流便从a点流回源。所以信号的回流电流在参考层上流回源时，回流的路径在参考层上总是趋于在信号走线的下方，因为耦合的关系使得这一点成为整个参考层上最小的阻抗路径。由此可见返回电流是紧随信号电流的。只要附近导体允许，返回路径会尽量靠近信号路径分布的。如果周围没有导体可以提供返回路径，那么自由空间就成为信号的返回路径，这就带来了EMC问题。

3．3 极性相反的磁场抵消使辐射减少
众所周知，当导线上有电流流过时，导线周围便会产生磁场，磁场的方向以右手定则来确定。当有两条彼此靠近且平行的导线，如图4所示，其中一个导体的电流向外流出，另一个导体的电流向内流入，如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流，那么这两个电流是大小相等方向相反的，所以它们的磁场也是大小相等，而方向是相反的。假设人们站在图的左边，有一根导线就会离人们比较近，因此它的EMI辐射就比另外一根导线要强，在合适的条件下这种辐射是很严重的。但是如果这两根导线不断的靠近，那么在左侧会观察到它们对外的辐射会逐渐趋于相等，由于它们的相位相反或者说极性相反，所以它们对外的辐射趋于彼此抵消，在极限情况下，如果两根导线之间的距离非常近，它们的对外辐射将完全抵消。因此基本原则是：如果要把EMI的辐射减少到最小，那么就让信号线尽量靠近与它构成回路的回流路径。

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3．4 不完整的参考层对信号的影响
理想的参考层应该为其邻近信号层上的信号路径提供完美的返回路径，理想的参考层应该是一个完整的实体平面。但实际系统中，并不存在这样的实体平面，比如一个参考平面可能被分配给多个电源网络，那么实心板就被撕裂成几个小的部分。类似这种参考平面遭到破坏的情况下，如果邻近的信号层上的信号跨越分割实体的缝隙，则信号返回路径就会绕过参考平面上的缝隙，将带来很多问题。如图5所示，信号线跨越参考平面上的缝隙，其返回电流将会绕过缝隙，形成一个大的电流环路，因有缝隙存在，使信号返回路径和信号路径之间的距离发生变化，将导致信号走线的阻抗突变，引起信号来回的反射，如图6所示，信号边沿出现过冲现象，形成振铃信号，信号质量严重降低；过冲现象丰富了谐波频率的能量，使得RF辐射增大。

综上所述，对信号回流路径的规划和对信号线的规划同等重要，这两者之间的关系对信号完整性和电磁兼容性起着至关重要的作用。

4 结语
在低速网络中，之所以不考虑信号返回路径，就是认为所有的电流都将汇合到“地”这个无穷大的容器。认为“地”就是一个等势体，因此不关心其中的电流流动。在高频时，这就是一个错误的观点。因此将地线严格的定义为：“信号流回源的低阻抗路径”。该定义突出了电流的流动，当电流流过有限阻抗时，必然导致电压降，从而反映实际地线上的电位情况。因此在设计高速电路的过程中，要丢掉“地”的概念，像对待信号路径一样对待返回路径。
对于高速信号而言，将没有“地”这一说法。要实现高速信号传输，就必须要有信号路径和信号返回路径，而信号的返回电流总是寻找阻抗值最低的路径返回，而在PCB上的返回路径就是参考平面或信号路径周围的其他导体，若是没有很好的返回路径，那么自由空间就成为了信号的返回路径，这就带来了严重的EMC问题。信号返回路径与信号线阻抗存在直接关系，因此信号返回路径的不确定性可能会导致信号线阻抗突变，引起信号线上信号的来回反射，使信号形成振铃，严重降低信号的质量，造成信号失真、时序错乱等严重的问题，加深RF辐射，降低电路抗干扰能力等。因此要提高信号的质量和减小RF辐射，提高电路抗干扰能力，其中之一的解决办法就是，控制信号的回流路径，使其尽量的平行且靠近信号线，一般都是提供一个相对完整的参考层。