信號返回路徑：信號和電源完整性教程
信號返回路徑：信號和電源完整性教程
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| 圖1.信號和 返回導體中的電流分佈在三個不同的頻率上。 較高頻率 下的電流再分配由採用具有最低環路電感的燈絲路徑 的電流驅動。 |
以下內容摘自 Eric Bogatin教授在《信號完整性雜誌》2023 年電子書《分裂地面的案例》中的文章。
經《信號完整性雜誌》許可轉載。
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為什麼選擇連續返回路徑平面
工程互連降低雜訊的第一步是提供連續的低阻抗返回路徑來控制阻抗，從而控制反射雜訊，並減少共用同一返回導體的信號之間的串擾。
與信號走線相鄰的寬連續接地層將是最低的串擾配置。
除了寬平面之外的任何東西都意味著共用該返回導體的信號路徑之間有更多的串擾。
這意味著，切勿在返回路徑中添加拆分或間隙。您將冒著信號跡線無意中越過此不連續性的風險。
如果信號穿過分離接地層，則有兩種效應相互複合。
跨越分路會為必須穿過分路的返回電流創建更高阻抗的路徑，並迫使來自多個信號的回波電流通過相同的更高阻抗的公共路徑重疊。
這就產生了三重問題：來自返回路徑不連續性的反射，來自較高電感返回路徑的接地反彈，以及來自返回電流流動的平面兩個區域之間電位差的EMI。
這就是為什麼在接地返回平面中添加分路從來都不是一個好主意的原因。您冒著太大的風險將信號路由到此拆分。
但是，分離接地層可以解決一個潛在的小問題，前提是返回層中的分離或間隙始終與信號路徑平行，並且返回電流不穿過該間隙。它是電阻耦合的串擾。
回流流向何處
接地層的路徑返回電流取決於信號路徑的佈線。
信號和返回路徑不能分開考慮。它們是連結在一起的。電流在信號和返回導體中的路徑由最低環路阻抗的路徑決定。如果信號返回電流採用的路徑阻抗較低，則沿該路徑的壓降較低，電流將從較高電壓路徑流向較低電壓路徑，直到所有垂直於傳播方向的導體都處於等電位。
這意味著在信號返回電流可能採用的多條路徑中，電流將在路徑中流動，以最小化所有可能路徑的環路阻抗。
通常，信號走線很窄，並將信號電流限制在非常特定的路徑上。返回電流可以在相鄰接地層的任何地方流動，除平面邊緣外，不受約束。它將採用路徑，使信號返回路徑的環路阻抗最小化。對於一階，信號返回路徑的阻抗與頻率相關，並且與以下因素有關：
Z = R + jωL
在這個等式中，
Z是電流環路的環路阻抗，
R是環路的串聯電阻，並且L為路徑的環路電感
想像一下，信號返回路徑電流由連續電流絲組成，沿互連採用任何路徑。
電流最大的燈絲是環路阻抗最低的燈絲。
流經其中一根燈絲的電流越多，該串聯阻抗上的壓降就越高。
這會將更多的電流推入相鄰的高阻抗燈絲中，直到電流分佈的橫截面與每根燈絲的阻抗和每根燈絲中的電流量相平衡，在傳播方向上產生等電位。
總會有一個頻率，高於該頻率時，ωL項佔主導地位，電流路徑由最低環路電感的路徑驅動。這就是我們所說的集膚深度區域。
最低環路電感的電流重新分配是驅動集膚深度效應的因素。
最低阻抗路徑是同一導體內的電流相距最遠時，以減少部分自感，但信號和返回路徑之間的距離最接近，以增加部分互感。如圖1所示，顯示了使用Ansys Q2D仿真的1 MHz、10 MHz和100 MHz簡單微帶中的電流分佈。
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| 圖2.當信號路徑發生變化時， 電流在1 MHz的返回路徑中流動。 |
這意味著在高頻狀態下，返回電流總是直接在信號電流下方流動。
信號電流下方的路徑始終是最低環路電感路徑。
任何遠離此路徑的電流絲都將具有更高的阻抗和更高的壓降，並直接在信號下方流向低壓燈絲。
當信號導體蜿蜒穿過接地層表面時，返回電流將沿著信號路徑正好跟隨。
圖2顯示了信號導體改變方向時平面中的返回電流分佈示例，類比了1 MHz頻率分量。
