高速電路之信號回流路徑分析

摘要：在高速數(shù)字系統(tǒng)電路設(shè)計中，電磁兼容性、信號完整性和電源完整性等問題緊密的交織在一起，成為高速電路設(shè)計的挑戰(zhàn)。信號線與信號回流路徑之間的位置與電磁兼容性、信號完整性問題有著直接的關(guān)系，處理好信號線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
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，高速數(shù)字系統(tǒng)時鐘頻率越來越高。目前，大部分的數(shù)字系統(tǒng)的時鐘頻率高于100 MHz。并且在電路設(shè)計領(lǐng)域，電路系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、小體積、高速度、高密度的方向飛速發(fā)展。這樣就帶來了一個問題，即芯片體積減小導(dǎo)致電路布局、布線很困難，信號頻率還在逐年增高，邊沿速率越來越快，PCB上的電磁問題更復(fù)雜。此外電子設(shè)備越來越廣泛的應(yīng)用于生活和工作之中，電子設(shè)備的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁兼容問題越來越重要。
總之，電子技術(shù)的發(fā)展給高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

1 傳輸線
衡量數(shù)字系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)就是處理芯片的時鐘頻率。如果一個數(shù)字系統(tǒng)的時鐘頻率達(dá)到50 MHz，而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個系統(tǒng)的一定份量(比如1／3)，可稱之為高速電路。實際上信號的諧波頻率比信號本身的重復(fù)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?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此，通常約定如果走線傳輸時延大于驅(qū)動端信號上升時間的20％，則認(rèn)為此類信號是高速信號并可能產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。

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、帶狀線、同軸電纜還是跳線)，也不管中間是否經(jīng)歷過孔或者線寬變化，S2端能實時和不失真的反映S1端的波形變化。當(dāng)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，一個信號從S1輸出，到達(dá)S2端可能就完全失真了，完全沒有考慮信號電流是如何返回的。所以引入傳輸線的概念，傳輸線通常被定義為一個合適在兩個或多個終端之間有效傳輸電能量或電信號的傳輸系統(tǒng)，傳輸線包含兩條導(dǎo)線：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，可以是光學(xué)器件，也可以是其他媒介)上的質(zhì)量，即驅(qū)動端輸出的信號經(jīng)過傳輸路徑后，接收端能以正確的時序和電壓做出響應(yīng)的能力。如果電路設(shè)計能夠達(dá)到把信號以規(guī)定的時序、持續(xù)時間和電壓幅值在互連系統(tǒng)中傳輸，就表明該電路具有良好的信號完整性。當(dāng)信號上升時間減小到一定的程度，電路板上的寄生電容和寄生電感開始導(dǎo)致一些可能影響電路性能的噪聲信號和瞬態(tài)信號時，就需要考慮信號的完整性問題，它可能會造成以下問題的發(fā)生：
(1)EMC(輻射及外界輻射的干擾)；
(2)在一個網(wǎng)絡(luò)上的反射；
(3)網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_；
(4)在元件切換時，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為了提高高速信號質(zhì)量，需理解如下三個重要的電子學(xué)原理：
(1)電流是電子的流動；
(2)電流只能在閉合的回路中流動；
(3)電流在閉合回路中是恒定的。
因此得出基本理論：每個信號都有一個返回信號，存在一條信號回流路徑。
一般來說，PCB設(shè)計者會花費(fèi)大量的時間和精力對信號線的流動路徑進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，對于返回信號則不處理，任憑信號隨機(jī)尋找路徑返回。而導(dǎo)致信號線完整性問題的一個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(shù)字電路設(shè)計相比，高速數(shù)字電路設(shè)計著重強(qiáng)調(diào)了數(shù)字電路之間用來傳輸信號的路徑，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。

3 信號回流路徑
3．1 概述
通常情況下都是利用PCB的某個層來控制信號回路，使用參考層是對各種問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上的走線大致可以分為兩類：微帶線及帶狀線。微帶線的附近只有一個金屬平面，導(dǎo)體通常位于PCB的表層；帶狀線的兩邊都有金屬平面，可以較好地防止輻射。
在高速電路設(shè)計中，參考層起著以下重要的作用：
(1)控制EMI；
(2)穩(wěn)定走線阻抗，能控制信號反射；
(3)控制串?dāng)_；
(4)使電源系統(tǒng)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信號提供至少一個參考平面作為其返回路徑。