高速电路PCB “地”、返回路径、镜像层和磁通最小化

在广泛使用网络这一概念的低速电路中，“地”同样大行其道，“地”本身就是一个网络。在低速电路中，之所以不用考虑信号的返回路径，就是认为所有的电流都将汇合到“地″这个无穷大的容器，同时认为“地”就是一个等势体，因此也不关心其中的电流流动。这是一个错误的观点。高频时，信号路径和返回路径的回路电感要最小化，那么，返回电流是紧靠信号电流的，只要附近导体允许，返回路径会尽量靠近信号路径分布。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返回路径，这就带来了EMC问题。

如图1所示，平行双导线传输线的两根导体中一根是信号路径，另一根就是返回路径，两者没有严格区分；同轴电缆的内导体就是信号路径，外导体就是返回路径；共面带状线的一条导线是信号路径，另一条就是返回路径；共面波导的中间导体是信号路径，两边金属平面是返回路径；微带线和带状线的窄导体是信号路径，导体附近的金属平面就是返回路径。读者可以凭经验感受一下｀将同轴电缆的外导体开一个槽，会对高速信号传输带来什么样的影响。所以，在设计高速电路的过程中，要丢掉“地”这个概念，像对待信号路径一样对待返回路径。

图1 各种传输线横截面

在高速PCB上，无法用到平行双导线和同轴电缆。在设计低速电路时，布完线经常要进行“包地”这个操作，“包地”形成的传输线就是共面波导。在第3章讲过，当两条走线靠得很近时会形成串扰，也就是说，—条走线A将另一条走线B作为返回路径，形成共面带状线，这是不希望看到的，因为走线B并不是故意设计来作为返回路径的。避免这种串扰最基本的措施是，用一个“大的金属平面”尽量去靠近走线，相比另外一条窄走线B，这个“大的金属平面”是一个更好的返回路径，这就形成了PCB上的微带线和带状线。而这个“大的金属平面”就是镜像层，也称“参考平面”，在PCB上通常将其分配给电源和地。

可靠的返回路径应该和信号路径平行且靠近。只有这样，信号路径和返回路径产生的磁力线才会最大程度地相互抵消，因为两者方向相反，这就是磁通最小化原理，如图2所示，图2（a）所示的回路面积比图2（b）所示的小。回路产生的磁通量也比较小。它向周围产生的辐射较少。在周围其他信号线上产生的串扰也较少。最坏的设计就是返回路径出现断裂，甚至根本没有为信号路径提供返回路径；而最好也是最简单的设计就是上面提到的采用参考平面（镜像层）。当然还有一些其他方法来实现磁通最小化，如：

图2 回路磁通

· 保证多层板有正确的叠层设置和阻抗控制；

· 对于多层板，将高速走线布置在接地平面或接地栅格附近，单面板和双面板配置接

地走线或包地；

· 将元件封装内部所产生的磁通捕捉到0V参考系统中，以减少元件的内部辐射；

· 降低电源分配系统（PDS）中的噪声电压；

· 能够使用低速器件，就尽量不要使用高速器件；

· 选用射频驱动电压较低的器件以降低走线中的射频电流；

· 当有外部I/O电缆连接时，正确使用旁路电容；

· 在选定的网络中用数据线过滤器和共模扼流圈：

· 为那些会辐射大量共模射频能量的组件提供一个接地的散热器

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