高速电路之信号回流路径分析

摘要：在高速数字系统电路设计中，电磁兼容性、信号完整性和电源完整性等问题紧密的交织在一起，成为高速电路设计的挑战。信号线与信号回流路径之间的位置与电磁兼容性、信号完整性问题有着直接的关系，处理好信号线与信号回流路径之间的关系，对解决电磁兼容性、信号完整性及电源完整性问题有不可忽视的作用。
关键词：高速电路；信号回流路径；电磁兼容；信号完整性

0 引言
随着半导体技术的快速发展，高速数字系统时钟频率越来越高。目前，大部分的数字系统的时钟频率高于100 MHz。并且在电路设计领域，电路系统正朝着大规模、小体积、高速度、高密度的方向飞速发展。这样就带来了一个问题，即芯片体积减小导致电路布局、布线很困难，信号频率还在逐年增高，边沿速率越来越快，PCB上的电磁问题更复杂。此外电子设备越来越广泛的应用于生活和工作之中，电子设备的电磁环境越来越复杂，电磁兼容问题越来越重要。
总之，电子技术的发展给高速数字系统设计带来了挑战。

1 传输线
衡量数字系统性能的一个重要指标就是处理芯片的时钟频率。如果一个数字系统的时钟频率达到50 MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的一定份量(比如1／3)，可称之为高速电路。实际上信号的谐波频率比信号本身的重复频率高，信号快速变化的上升沿与下降沿引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果走线传输时延大于驱动端信号上升时间的20％，则认为此类信号是高速信号并可能产生传输线效应。

如图1所示，不管信号从S1发送端到S2接收端之间采用哪种物理连接(微带线、带状线、同轴电缆还是跳线)，也不管中间是否经历过孔或者线宽变化，S2端能实时和不失真的反映S1端的波形变化。当然这是一种理想状况，对于低速信号是合理的。但是对于高速信号，就完全不一样了，一个信号从S1输出，到达S2端可能就完全失真了，完全没有考虑信号电流是如何返回的。所以引入传输线的概念，传输线通常被定义为一个合适在两个或多个终端之间有效传输电能量或电信号的传输系统，传输线包含两条导线：信号路径和信号返回路径。

2 信号完整性
信号完整性是指信号在传输路径(传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒介)上的质量，即驱动端输出的信号经过传输路径后，接收端能以正确的时序和电压做出响应的能力。如果电路设计能够达到把信号以规定的时序、持续时间和电压幅值在互连系统中传输，就表明该电路具有良好的信号完整性。当信号上升时间减小到一定的程度，电路板上的寄生电容和寄生电感开始导致一些可能影响电路性能的噪声信号和瞬态信号时，就需要考虑信号的完整性问题，它可能会造成以下问题的发生：
(1)EMC(辐射及外界辐射的干扰)；
(2)在一个网络上的反射；
(3)网络之间的串扰；
(4)在元件切换时，电源系统的稳定性。
为了提高高速信号质量，需理解如下三个重要的电子学原理：
(1)电流是电子的流动；
(2)电流只能在闭合的回路中流动；
(3)电流在闭合回路中是恒定的。
因此得出基本理论：每个信号都有一个返回信号，存在一条信号回流路径。
一般来说，PCB设计者会花费大量的时间和精力对信号线的流动路径进行设计规划，对于返回信号则不处理，任凭信号随机寻找路径返回。而导致信号线完整性问题的一个基本原因就是缺少对信号回流路径的控制。
与低速情况下的数字电路设计相比，高速数字电路设计着重强调了数字电路之间用来传输信号的路径，需要关注从发送信号芯片到接收芯片间的完整的电流路径即信号传输线。

3 信号回流路径
3．1 概述
通常情况下都是利用PCB的某个层来控制信号回路，使用参考层是对各种问题都通用的一种方法。在多层PCB中，经常将介质之间的若干个金属层分配给电源网络和地网络，这样PCB上的走线大致可以分为两类：微带线及带状线。微带线的附近只有一个金属平面，导体通常位于PCB的表层；带状线的两边都有金属平面，可以较好地防止辐射。
在高速电路设计中，参考层起着以下重要的作用：
(1)控制EMI；
(2)稳定走线阻抗，能控制信号反射；
(3)控制串扰；
(4)使电源系统高频去耦。
为了保证高速信号的有效传输，最合理的措施就是为每个信号提供至少一个参考平面作为其返回路径。
3．2 回流路径在电路板上的分布
电流总是选择阻抗最小的路径通过，如何确认在参考层上的哪些地方是这些信号回流的低阻抗路径，就和信号之间存在耦合有着直接的关系。如图2所示，走线1上流过一个变化的电流I1，变化的电流会在走线1的周围产生一个变化的磁场，这个变化的磁场会以系数k耦合到走线2上，根据楞次定律，在走线2上将产生一个电流，大小是kI1，方向与I1相反。耦合系数的值在0～1．0之间。k的值主要取决于：电流变化的快慢，或者说上升时间(di／dt)大小；走线之间的距离(图中用D表示)。上升时间越短，走线之间距离越近，耦合系数越大。考虑I1是信号，I2是回流信号，此时I2=-I1，耦合信号kI1有助于回流电流的流动。回流电流I2同样耦合到I1，推动I1流动。所以这种信号本身与回流信号之间的相互耦合加强了或者说推动了彼此的效果。可以从两个方面来解释这种效果：