高速電路之信號(hào)回流路徑分析

摘要：在高速數(shù)字系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，電磁兼容性、信號(hào)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(jì)的挑戰(zhàn)。信號(hào)線與信號(hào)回流路徑之間的位置與電磁兼容性、信號(hào)完整性問題有著直接的關(guān)系，處理好信號(hào)線與信號(hào)回流路徑之間的關(guān)系，對(duì)解決電磁兼容性、信號(hào)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(hào)回流路徑；電磁兼容；信號(hào)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(shí)鐘頻率越來越高。目前，大部分的數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率高于100 MHz。并且在電路設(shè)計(jì)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(gè)問題，即芯片體積減小導(dǎo)致電路布局、布線很困難，信號(hào)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(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

1 傳輸線
衡量數(shù)字系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是處理芯片的時(shí)鐘頻率。如果一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率達(dá)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(tǒng)的一定份量(比如1／3)，可稱之為高速電路。實(shí)際上信號(hào)的諧波頻率比信號(hào)本身的重復(fù)頻率高，信號(hào)快速變化的上升沿與下降沿引發(fā)了信號(hào)傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此，通常約定如果走線傳輸時(shí)延大于驅(qū)動(dòng)端信號(hào)上升時(shí)間的20％，則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并可能產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。

如圖1所示，不管信號(hào)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(shí)時(shí)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(duì)于低速信號(hào)是合理的。但是對(duì)于高速信號(hào)，就完全不一樣了，一個(gè)信號(hào)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(hào)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(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(hào)的傳輸系統(tǒng)，傳輸線包含兩條導(dǎo)線：信號(hào)路徑和信號(hào)返回路徑。

2 信號(hào)完整性
信號(hào)完整性是指信號(hào)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(dòng)端輸出的信號(hào)經(jīng)過傳輸路徑后，接收端能以正確的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。如果電路設(shè)計(jì)能夠達(dá)到把信號(hào)以規(guī)定的時(shí)序、持續(xù)時(shí)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(hào)完整性。當(dāng)信號(hào)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始導(dǎo)致一些可能影響電路性能的噪聲信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)時(shí)，就需要考慮信號(hào)的完整性問題，它可能會(huì)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(gè)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(shí)，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為了提高高速信號(hào)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(hào)都有一個(gè)返回信號(hào)，存在一條信號(hào)回流路徑。
一般來說，PCB設(shè)計(jì)者會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力對(duì)信號(hào)線的流動(dòng)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，對(duì)于返回信號(hào)則不處理，任憑信號(hào)隨機(jī)尋找路徑返回。而導(dǎo)致信號(hào)線完整性問題的一個(gè)基本原因就是缺少對(duì)信號(hào)回流路徑的控制。
與低速情況下的數(shù)字電路設(shè)計(jì)相比，高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)著重強(qiáng)調(diào)了數(shù)字電路之間用來傳輸信號(hào)的路徑，需要關(guān)注從發(fā)送信號(hào)芯片到接收芯片間的完整的電流路徑即信號(hào)傳輸線。

3 信號(hào)回流路徑
3．1 概述
通常情況下都是利用PCB的某個(gè)層來控制信號(hào)回路，使用參考層是對(duì)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(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(gè)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(jì)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(hào)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(hào)的有效傳輸，最合理的措施就是為每個(gè)信號(hào)提供至少一個(gè)參考平面作為其返回路徑。