高速電路之信號回流路徑分析

摘要：在高速數字系統電路設計中，電磁兼容性、信號完整性和電源完整性等問(wèn)題緊密的交織在一起，成為高速電路設計的挑戰。信號線(xiàn)與信號回流路徑之間的位置與電磁兼容性、信號完整性問(wèn)題有著(zhù)直接的關(guān)系，處理好信號線(xiàn)與信號回流路徑之間的關(guān)系，對解決電磁兼容性、信號完整性及電源完整性問(wèn)題有不可忽視的作用。
關(guān)鍵詞：高速電路；信號回流路徑；電磁兼容；信號完整性

0 引言
隨著(zhù)半導體技術(shù)的快速發(fā)展，高速數字系統時(shí)鐘頻率越來(lái)越高。目前，大部分的數字系統的時(shí)鐘頻率高于100 MHz。并且在電路設計領(lǐng)域，電路系統正朝著(zhù)大規模、小體積、高速度、高密度的方向飛速發(fā)展。這樣就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，即芯片體積減小導致電路布局、布線(xiàn)很困難，信號頻率還在逐年增高，邊沿速率越來(lái)越快，PCB上的電磁問(wèn)題更復雜。此外電子設備越來(lái)越廣泛的應用于生活和工作之中，電子設備的電磁環(huán)境越來(lái)越復雜，電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越重要。
總之，電子技術(shù)的發(fā)展給高速數字系統設計帶來(lái)了挑戰。

1 傳輸線(xiàn)
衡量數字系統性能的一個(gè)重要指標就是處理芯片的時(shí)鐘頻率。如果一個(gè)數字系統的時(shí)鐘頻率達到50 MHz，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)系統的一定份量(比如1／3)，可稱(chēng)之為高速電路。實(shí)際上信號的諧波頻率比信號本身的重復頻率高，信號快速變化的上升沿與下降沿引發(fā)了信號傳輸的非預期結果。因此，通常約定如果走線(xiàn)傳輸時(shí)延大于驅動(dòng)端信號上升時(shí)間的20％，則認為此類(lèi)信號是高速信號并可能產(chǎn)生傳輸線(xiàn)效應。

如圖1所示，不管信號從S1發(fā)送端到S2接收端之間采用哪種物理連接(微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸電纜還是跳線(xiàn))，也不管中間是否經(jīng)歷過(guò)孔或者線(xiàn)寬變化，S2端能實(shí)時(shí)和不失真的反映S1端的波形變化。當然這是一種理想狀況，對于低速信號是合理的。但是對于高速信號，就完全不一樣了，一個(gè)信號從S1輸出，到達S2端可能就完全失真了，完全沒(méi)有考慮信號電流是如何返回的。所以引入傳輸線(xiàn)的概念，傳輸線(xiàn)通常被定義為一個(gè)合適在兩個(gè)或多個(gè)終端之間有效傳輸電能量或電信號的傳輸系統，傳輸線(xiàn)包含兩條導線(xiàn)：信號路徑和信號返回路徑。

2 信號完整性
信號完整性是指信號在傳輸路徑(傳輸路徑可以是普通的金屬線(xiàn)，可以是光學(xué)器件，也可以是其他媒介)上的質(zhì)量，即驅動(dòng)端輸出的信號經(jīng)過(guò)傳輸路徑后，接收端能以正確的時(shí)序和電壓做出響應的能力。如果電路設計能夠達到把信號以規定的時(shí)序、持續時(shí)間和電壓幅值在互連系統中傳輸，就表明該電路具有良好的信號完整性。當信號上升時(shí)間減小到一定的程度，電路板上的寄生電容和寄生電感開(kāi)始導致一些可能影響電路性能的噪聲信號和瞬態(tài)信號時(shí)，就需要考慮信號的完整性問(wèn)題，它可能會(huì )造成以下問(wèn)題的發(fā)生：
(1)EMC(輻射及外界輻射的干擾)；
(2)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的反射；
(3)網(wǎng)絡(luò )之間的串擾；
(4)在元件切換時(shí)，電源系統的穩定性。
為了提高高速信號質(zhì)量，需理解如下三個(gè)重要的電子學(xué)原理：
(1)電流是電子的流動(dòng)；
(2)電流只能在閉合的回路中流動(dòng)；
(3)電流在閉合回路中是恒定的。
因此得出基本理論：每個(gè)信號都有一個(gè)返回信號，存在一條信號回流路徑。
一般來(lái)說(shuō)，PCB設計者會(huì )花費大量的時(shí)間和精力對信號線(xiàn)的流動(dòng)路徑進(jìn)行設計規劃，對于返回信號則不處理，任憑信號隨機尋找路徑返回。而導致信號線(xiàn)完整性問(wèn)題的一個(gè)基本原因就是缺少對信號回流路徑的控制。
與低速情況下的數字電路設計相比，高速數字電路設計著(zhù)重強調了數字電路之間用來(lái)傳輸信號的路徑，需要關(guān)注從發(fā)送信號芯片到接收芯片間的完整的電流路徑即信號傳輸線(xiàn)。

3 信號回流路徑
3．1 概述
通常情況下都是利用PCB的某個(gè)層來(lái)控制信號回路，使用參考層是對各種問(wèn)題都通用的一種方法。在多層PCB中，經(jīng)常將介質(zhì)之間的若干個(gè)金屬層分配給電源網(wǎng)絡(luò )和地網(wǎng)絡(luò )，這樣PCB上的走線(xiàn)大致可以分為兩類(lèi)：微帶線(xiàn)及帶狀線(xiàn)。微帶線(xiàn)的附近只有一個(gè)金屬平面，導體通常位于PCB的表層；帶狀線(xiàn)的兩邊都有金屬平面，可以較好地防止輻射。
在高速電路設計中，參考層起著(zhù)以下重要的作用：
(1)控制EMI；
(2)穩定走線(xiàn)阻抗，能控制信號反射；
(3)控制串擾；
(4)使電源系統高頻去耦。
為了保證高速信號的有效傳輸，最合理的措施就是為每個(gè)信號提供至少一個(gè)參考平面作為其返回路徑。