高速电路PCB参考平面的切换

通常人们将传输线设计中的返回路径都靠近信号路径，而且信号源和负载都跨接在信号路径和返回路径之间，比如微带线，信号源和接收器都跨接在导带和“地”之间，用上面的理论解释是很明了的。但是，在多层PCB结构中，如图1所示的结构是很常见的，中间还悬空一个大的金属平面，那么哪一个才是返回路径呢？

图1 多参考平面结沟

回路电流的分布总是趋于减小回路电感。对于图1所示的结构，返回路径是沿电容→参考平面1（Ref1）→参考平面2（Ref2）流动的。信号路径上的电流在悬空的中间参考平面Ref1的上表面感应出涡流，参考平面Ref2的返回电流叉在中间参考平面Ref1的下表面上感应出涡流，这些感应的涡流在参考平面Ref1的一侧相联通，这就构成了一个完整的返回路径，如图2所示。

那么，从信号源一侧看进去，信号受到的瞬态阻抗为多少呢？信号受到的瞬态阻抗是两条传输线瞬态阻抗的串联。一条由微带走线和中问平面Refl组成，特性阻抗为Z₀₁；另一条由两个参考平面组成，特性阻抗为Z₁₂。那么信号受到的瞬态阻抗为

因两个宽的金属平面组成的传输线的特性阻抗很小，所以信号受到的瞬态阻抗基本上就是微带走线与之最近的参考平面所构成的传输线的特性阻抗，而与信号源返回端实际连接在哪个平面无关。同时，为了最大限度地排除金属平面间阻抗的影响，要尽量减小平面间介质的厚度。

图2 多参考平面的返回电流路径

在多层PCB中，为了完成复杂的布线，有时不得不使用过孔将信号走线从一层转换到另一层，这时的返回电流路径又是怎样的昵？

如图3所示为过孔穿过一层和两层参考平面时的返回电流分布。对于过孔只穿过一层参考平面的情况，返回电流在参考平面的两个表面间切换，不会带来什么问题。如果过孔不得已需要穿过两层参考平面，而且两个平面的直流电压不同，则返回电流只能通过电容耦合从一个平面到另一个平面。

图4 过孔布线的返回电流

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