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回流又是如何影响信号完整性的呢?

模拟在线 2019-07-11 15:23 次阅读

一、写在前面

我们在学习信号完整性的时候,经常听到“回流”这个概念,我相信很多人是没有深刻理解“回流”这个概念的,但是当你真正理解了回流之后,你就能理解很多高速的原理和现象,理解回流是学好信号完整性的前提。

那么到底什么是回流呢?回流又是如何影响信号完整性的呢?请看下面这个实例。

微带线的回流分布

二、回流的实例

首先观察一个现象,如下图所示,为一个典型的4层板结构,信号从第一层经过孔换到第4层,相应的参考平面从第2层切换到第3层。这是我们在Layout设计的时候经常遇到的情况。

4层板层叠结构

我们首先来看S参数,随着频率的升高,回波损耗S11变的越来越差,尤其在10GHz以后达到了-16.2dB,已经小于-20dB的要求。

当信号过孔旁边增加伴随地孔以后,其S11在10GHz达到了-28.3dB,这表明高速性能变好了。

这就是为什么很多的高速电PCB设计规则里面要求的,“高速信号换层时需要打伴随地孔”的原因。

那么作为一个对技术有追求的工程师来说,不能到这里就结束了,一定要多问几个为什么。为什么增加了地孔以后,高频处的性能会变好呢?

既然S11反应的是信号的阻抗特性,那就意味着在没有增加伴随地孔地时候,高频处的阻抗特性变差,而增加了伴随地孔以后,阻抗特性变好了,那么这是为什么?今天我们从回流的角度给大家解释阻抗特性。

1和2、3和4之间形成传输线模型,其返回电流仍然满足微带线的回流特征,我们重点关注2和3之间返回电流分布。没有伴随地孔时,层2的下表面以及层3的上表面,其电流密度分布如下图所示:

F=3.3GHz

F=10GHz

从图中可以看出,地平面上的回流在3.3GHz时主要分布于过孔周围的一个很小区域内,而在10GHz时,地平面上的回流不仅分布于过孔周围,还进一步延展到了更远处,这意味着回流走的路径更长。

当在信号孔旁边增加2个伴随地孔以后,参考层上的电流密度分布如下图所示:

F=3.3GHz

F=10GHz

从图中可以看出,在3.3GHz和10GHz时,电流密度集中分布于信号过孔与伴随过孔之间,不再像外扩散,这就改变了回流的路径,使得在高频处,回流路径变短,路径上的寄生电感变小了。此时伴随地孔的作用就是给参考平面切换的时候,提供了一个最短的回流路径。这也是为什么伴随地孔有时候又叫回流过孔的原因。

为了更进一步理解以上回流的分布,下面我们再从等效单路角度做一次剖析。如下图所示,为信号换层时,参考平面上的回流流动方向。

从图中可以看出,对于1-2层来说,返回电流的流动除了在参考平面2的上表面流动以外,在下表面同样存在一小部分电流的流动;同样,对于3-4层来说,返回电流的流动除了在参考平面3的下表面流动以外,在上表面同样存在一小部分电流的流动;这跟单纯的微带线回流是不太一样的,这种不一样就是由过孔换层导致的。

2-3之间的电流是通过2和3之间的平面所形成的平板电容流动的。我们知道,在两个平面的重叠面积之间都会形成平板电容,所以2-3的内层之间形成很多寄生电容效应,当信号的参考层切换时,返回电流会沿着平面的距离扩散开,到底扩散到什么位置,这除了跟板子的层叠结构相关,还与信号的频率相关,从上图的仿真看出,频率越高,扩散的越开,这也是高频信号总是要走阻抗最低路径的体现。

当增加了伴随地孔以后,2和3之间的电流流动就可以直接通过这个过孔返回,不需要再通过物理结构形成的平板电容返回,返回电流不再沿着平面进一步扩散,这就控制了回流的路径了,使得即使在高频,返回电流也能以最短路径返回,从而对阻抗不造成影响(以下是我系列课部分内容)

可以这么说,学好信号完整性最关键的是理解回流,理解了回流,你就拿到了信号完整性入门的钥匙,如果大家想进一步理解回流和其他信号完整性相关的内容,请关注我的视频课程,在我的课程里会有更加详细的讲解。

原文标题:理解了回流,你就拿到了信号完整性入门的钥匙

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