走線的參考平面在哪?

很多人對(duì)于PCB走線的參考平面感到迷惑，經(jīng)常有人問(wèn)：對(duì)于內(nèi)層走線，如果走線一側(cè)是VCC，另一側(cè)是GND，那么哪個(gè)是參考平面?

要弄清楚這個(gè)問(wèn)題，必須對(duì)了解傳輸線的概念。我們知道，必須使用傳輸線來(lái)分析PCB上的信號(hào)傳輸，才能解釋高速電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單的傳輸線包括兩個(gè)基本要素：信號(hào)路徑、參考路徑(也稱(chēng)為返回路徑)。信號(hào)在傳輸線上是以電磁波的形式傳輸?shù)�，傳輸線的兩個(gè)基本要素構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。從電磁波傳輸?shù)慕嵌葋?lái)講，信號(hào)路徑和參考路徑一道構(gòu)成了一個(gè)特殊物理結(jié)構(gòu)，電磁波在這個(gè)結(jié)構(gòu)中傳輸。從電流回路角度來(lái)講，信號(hào)路徑承載信號(hào)電流，參考路徑承載返回電流，因此參考路徑也稱(chēng)為返回路徑。

對(duì)于PCB上的表層走線，走線和下面的平面層共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。這里，走線下面的平面到底是什么網(wǎng)絡(luò)屬性無(wú)所謂，VCC、GND、甚至是沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的孤立銅皮，都可以構(gòu)成這樣的電磁波傳輸環(huán)境，關(guān)鍵在于下面的平面是導(dǎo)體，這就夠了。信號(hào)路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對(duì)于PCB上這一特殊結(jié)構(gòu)，參考路徑是以平面的形式出現(xiàn)的，所以也叫參考平面。從電流回路的角度來(lái)說(shuō)，參考平面承載著信號(hào)的返回電流，所以也叫返回平面。下面的圖顯示了表層走線的場(chǎng)分布和電流分布。這里參考平面的作用應(yīng)該很清楚了：作為電磁波傳輸物理環(huán)境的一部分(從電磁波傳輸角度)、作為電流返回路徑(從電流回路角度)。

1.jpg

如果搞懂了上面的邏輯，那么內(nèi)層走線的參考平面在哪就很清楚了，走線、上方平面、下方平面3者共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，所以上下兩個(gè)平面都是信號(hào)的參考路徑，也就是參考平面，從下面的場(chǎng)分布圖中可以很清楚的看到物理環(huán)境和場(chǎng)分布的關(guān)系。從構(gòu)成電流回路的角度來(lái)看，下圖的電流分布圖也很清晰的顯示出返回電流的分布，如果兩個(gè)平面和走線之間的間距近似相等，那么兩個(gè)平面上的返回電流也近似相等，此時(shí)，兩個(gè)平面同樣重要。從這個(gè)角度也能很好的理解兩個(gè)平面都是參考平面。如果還是無(wú)法理解為什么兩個(gè)平面都是參考平面，不防好好看看下面的這個(gè)圖，無(wú)論從哪個(gè)方面來(lái)看，兩個(gè)平面是完全對(duì)稱(chēng)的，為什么還糾結(jié)哪個(gè)是參考平面，如果一個(gè)是，那么另一個(gè)為什么不是?

2.jpg

理解參考平面的最直接的方法就是“構(gòu)成電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境”。

看看感到困惑的結(jié)構(gòu)，是否滿足這個(gè)條件?

很寬的無(wú)網(wǎng)絡(luò)孤立銅皮可以么?

當(dāng)然導(dǎo)體必須是“平面形式”才能稱(chēng)為“參考平面”，要不然何來(lái)平面之說(shuō)!

前文指出了如果兩個(gè)平面和走線的間距近似相等(這種情況在十幾層的板子上很常見(jiàn))時(shí)，那么兩個(gè)平面對(duì)于走線的重要性也近似一樣。實(shí)際工程中我們還會(huì)碰到另一種情況，兩個(gè)平面其中之一距離走線很近，另外一個(gè)距離走線很遠(yuǎn)，比如典型的6層板配置，中間的芯板(Core)厚度通常在1毫米以上。下圖是一個(gè)6層板層疊示例，內(nèi)層兩個(gè)信號(hào)層InnerSignal1和InnerSignal2都屬于這種情況，這時(shí)兩個(gè)平面對(duì)內(nèi)層走線的作用肯定是不同的。這時(shí)哪個(gè)是參考平面?

3.jpg

先看平面上的返回電流，對(duì)于InnerSignal2來(lái)觀察遠(yuǎn)離它的VCC平面上的返回電流有多少。下圖是紅色表示的是信號(hào)電流10mA，藍(lán)色表示的就是VCC上的返回電流約1.2mA。遠(yuǎn)離InnerSignal2的VCC上的返回電流很少，有近90%的返回電流時(shí)從緊鄰InnerSignal2的GND平面上返回的，GND平面對(duì)InnerSignal2影響遠(yuǎn)大于VCC平面。

再看VCC平面對(duì)InnerSignal2層走線阻抗的影響。下圖將有VCC平面和沒(méi)有VCC平面兩種情況下走線阻抗做了一個(gè)對(duì)比，即使拿掉VCC平面也沒(méi)有對(duì)走線阻抗產(chǎn)生致命的影響，阻抗變化量不到1歐姆，變化率小于2%。從工程角度來(lái)講可以近似認(rèn)為InnerSignal2層走線參考平面就是和它最接近的GND平面。

盡管可以這樣近似，但關(guān)鍵是一定要清楚距離InnerSignal2層很遠(yuǎn)的那個(gè)VCC平面不是沒(méi)有影響，只不過(guò)影響不大而已。任何時(shí)候不要把問(wèn)題絕對(duì)化，這樣對(duì)初學(xué)者有百害而無(wú)一利，如果總是追求非此即彼、非黑即白，很可能會(huì)走入死胡同。

高速電路信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中，很多問(wèn)題都是這樣，你要關(guān)注的不是“有”還是“沒(méi)有”的問(wèn)題，而是“多”和“少”的問(wèn)題。這樣在對(duì)付毫不講情面的電路板的時(shí)候才能有足夠的底牌，防止它耍脾氣撂挑子，最大限度的掌控它。