高速電路回流路徑分析（下）
在PCB板上引起回流問題通常有三個方面：芯片互連，銅面切割，過孔跳躍。下面具體對這些因素進行分析。
01 芯片互連引起的回流問題
當數(shù)字電路工作時，將發(fā)生高、低電壓之間的轉(zhuǎn)換，這就引起瞬態(tài)負載電流從電源流入電路或由電路流入地線。
對于數(shù)字器件而言，它引腳輸入電阻可以認為無窮大，相當于開路（即下圖中的i＝0），事實上，回路電流是通過芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來返回的。以下以集電極輸出電路作為輸出信號的內(nèi)部電路為例進行分析。
1.驅(qū)動端從低電平變化到高電平。當輸出信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r，相當于輸出引腳對傳輸線輸出一個電流，由于輸入電阻無窮大，我們認為對于芯片而言，沒有電流從輸入管腿上流入，那么，這個電流必須返回到輸出芯片的電源管腿上。
①信號走線與電源平面緊鄰
驅(qū)動端對信號走線和電源平面及終端負載構(gòu)成的傳輸線進行充電，電流從驅(qū)動器的電源管腳進入器件，并從驅(qū)動器輸出端流向負載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到驅(qū)動器的輸出端，返回電流直接通過電源平面，從驅(qū)動器的電源管腳進入驅(qū)動器，構(gòu)成電流環(huán)路。
②信號走線與地平面緊鄰
驅(qū)動器對信號走線和電源平面及終端負載構(gòu)成的傳輸線進行充電，電流從驅(qū)動器的電源管腳進入器件，并從驅(qū)動器輸出端流向負載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的地平面上回流到驅(qū)動器的輸出端，返回電流必須借助在驅(qū)動器輸出端的電源平面和地平面的耦合電容，從地平面跨越到電源平面，再從驅(qū)動器的電源管腳進入驅(qū)動器，構(gòu)成電流環(huán)路。
2.驅(qū)動端從高電平變化到低電平，相當于輸出引腳吸收傳輸線上的電流。
① 信號走線與電源平面緊鄰。
負載對信號走線和電源平面及驅(qū)動器輸出端構(gòu)成的傳輸線進行放電，電流從驅(qū)動器的輸出管腳進入器件，從驅(qū)動器的地管腳流出，進入地平面，并通過在驅(qū)動器地管腳附近的電源平面和地平面耦合電容，跨越到電源平面，返回負載端；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到負載端，構(gòu)成電流環(huán)路。
② 信號走線與地平面緊鄰。
負載對信號走線和電源平面及驅(qū)動器輸出端構(gòu)成的傳輸線進行放電，電流從驅(qū)動器的輸出管腳進入器件，從驅(qū)動器的地管腳流出，進入地平面，返回負載端；高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的地平面上回流到負載端，構(gòu)成電流環(huán)路。
在驅(qū)動器的輸出管腳、地管腳附近，應當布放電源平面和地平面的耦合電容，為返回電流提供返回通路，否則，返回電流將尋找最近的電源平面和地平面的耦合途徑進行回流（使得回流途徑難以預知和控制，從而對其他走線造成串擾）。
02 覆銅切割造成的回流問題解決辦法
地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失。如圖所示，回路電流經(jīng)過地流回，由于電阻R1的存在，勢必在1和2點產(chǎn)生電壓降，電阻越大，壓降越大，引起對地電平的不一致，如果有地層，可視為線寬無限大，電阻很小的信號線。回路電流總是從最靠近信號的地層上流過，當?shù)貙硬恢挂粚訒r，如果信號處于兩層地平面之間而兩者又完全相同時，回路電流將等分在兩個平面上通過。
1.在布局、布線局部化的條件下，數(shù)字地平面與模擬地平面公用同一塊敷銅平面，即對數(shù)字地與模擬地不加區(qū)分，數(shù)字電路本身的噪聲并不會給模擬電路系統(tǒng)帶來額外的噪聲。
2.在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)中，數(shù)字地與模擬地的共地點選擇在板外，即兩敷銅平面完全獨立，使得數(shù)字電路與模擬電路之間的信號線不具備傳輸線的特征，給系統(tǒng)帶來嚴重的信號完整性問題。數(shù)字電路與模擬電路采用同一個電源系統(tǒng)，地平面不加分割，在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)的設計中，在布局模塊化、布線局部化的基礎上，數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊公用一個完整的、不加分割的電壓參考平面，不但不會增大數(shù)字電路對模擬電路的干擾，由于消除了信號線“跨溝”問題，能夠大幅度降低信號間的串擾和系統(tǒng)的地彈噪聲，提高了前端模擬電路的精度。
03 過孔造成的回流問題解決辦法
在印制板信號布線時，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務，這時就要用到大量的過孔，過孔對回流的影響有兩種：一是過孔形成溝槽阻斷回流，二是過孔造成的回流跳層流動。
1.過孔形成的溝槽
在印制板信號布線時，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務，這時就要用到大量的過孔，如果過孔在電源或地平面排列比較密集，有時候會出現(xiàn)許多過孔連成一片的情況，形成所謂的溝，如圖所示。首先，我們應該對這種情況進行分析，看看是否回流需要經(jīng)過溝槽，如果信號的回流無需經(jīng)過溝槽，就不會對回流造成阻礙影響。
如果回路電路要繞過這條溝返回，形成的天線效應將急劇增加，對周邊信號產(chǎn)生干擾。通常我們可以在涂敷數(shù)據(jù)生成后，對過孔過密而形成溝槽的地方加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離。
2.過孔形成的跳層現(xiàn)象
下面我們以六層板為例進行分析。該六層板有兩個涂敷層，第二層為地層，第五層為電源層，因此表層和第三層的信號回流主要在地層；底層和第四層的回流主要在電源層，換層布線時有以下六種可能：表層<----->第三層，表層<----->第四層，表層<----->底層，第三層<----->第四層， 第三層<----->底層，第四層<----->底層，這六種可能的情況根據(jù)其回路電流的情況可以分為兩大類：回路電流在同一層上和在不同層上流動的情況，即是否有跳層現(xiàn)象。
A．回路電流在同一層上流動的情況包括表層<----->第三層、第四層<----->底層，如圖所示。在這種情況下，回路電流都在同一層上流動，但是，由靜電感應原理可知，處于電場中的完整的導體，其內(nèi)部電場強度為零，所有的電流均在導體表面流動，地平面和電源平面實際上就是這樣一個導體。我們使用的過孔均為通孔，這些過孔經(jīng)過電源和地平面時留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過了路徑，因此，這些信號線的回流途徑是很好的，無需采用措施來改善。
B.回路電流在不同層上流動的情況包括表層<----->第四層、表層<----->底層、第三層<----->第四層、第三層<----->底層。下面以表層<----->底層和第三層<----->第四層為例，分析其回流情況。具有跳層現(xiàn)象的信號，需要其在過孔密集區(qū)附近增加一些旁路電容，通常為0.1uf的磁片電容，用來提供一個回流通路的。
