回流又是如何影響信號(hào)完整性的呢？

一、寫在前面

我們?cè)趯W(xué)習(xí)信號(hào)完整性的時(shí)候，經(jīng)常聽到“回流”這個(gè)概念，我相信很多人是沒有深刻理解“回流”這個(gè)概念的，但是當(dāng)你真正理解了回流之后，你就能理解很多高速的原理和現(xiàn)象，理解回流是學(xué)好信號(hào)完整性的前提。

那么到底什么是回流呢？回流又是如何影響信號(hào)完整性的呢？請(qǐng)看下面這個(gè)實(shí)例。

微帶線的回流分布

二、回流的實(shí)例

首先觀察一個(gè)現(xiàn)象，如下圖所示，為一個(gè)典型的4層板結(jié)構(gòu)，信號(hào)從第一層經(jīng)過孔換到第4層，相應(yīng)的參考平面從第2層切換到第3層。這是我們?cè)贚ayout設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常遇到的情況。

4層板層疊結(jié)構(gòu)

我們首先來看S參數(shù)，隨著頻率的升高，回波損耗S11變的越來越差，尤其在10GHz以后達(dá)到了-16.2dB，已經(jīng)小于-20dB的要求。

當(dāng)信號(hào)過孔旁邊增加伴隨地孔以后，其S11在10GHz達(dá)到了-28.3dB，這表明高速性能變好了。

這就是為什么很多的高速電PCB設(shè)計(jì)規(guī)則里面要求的，“高速信號(hào)換層時(shí)需要打伴隨地孔”的原因。

那么作為一個(gè)對(duì)技術(shù)有追求的工程師來說，不能到這里就結(jié)束了，一定要多問幾個(gè)為什么。為什么增加了地孔以后，高頻處的性能會(huì)變好呢？

既然S11反應(yīng)的是信號(hào)的阻抗特性，那就意味著在沒有增加伴隨地孔地時(shí)候，高頻處的阻抗特性變差，而增加了伴隨地孔以后，阻抗特性變好了，那么這是為什么？今天我們從回流的角度給大家解釋阻抗特性。

1和2、3和4之間形成傳輸線模型，其返回電流仍然滿足微帶線的回流特征，我們重點(diǎn)關(guān)注2和3之間返回電流分布。沒有伴隨地孔時(shí)，層2的下表面以及層3的上表面，其電流密度分布如下圖所示：

F=3.3GHz

F=10GHz

從圖中可以看出，地平面上的回流在3.3GHz時(shí)主要分布于過孔周圍的一個(gè)很小區(qū)域內(nèi)，而在10GHz時(shí)，地平面上的回流不僅分布于過孔周圍，還進(jìn)一步延展到了更遠(yuǎn)處，這意味著回流走的路徑更長(zhǎng)。

當(dāng)在信號(hào)孔旁邊增加2個(gè)伴隨地孔以后，參考層上的電流密度分布如下圖所示：

F=3.3GHz

F=10GHz

從圖中可以看出，在3.3GHz和10GHz時(shí)，電流密度集中分布于信號(hào)過孔與伴隨過孔之間，不再像外擴(kuò)散，這就改變了回流的路徑，使得在高頻處，回流路徑變短，路徑上的寄生電感變小了。此時(shí)伴隨地孔的作用就是給參考平面切換的時(shí)候，提供了一個(gè)最短的回流路徑。這也是為什么伴隨地孔有時(shí)候又叫回流過孔的原因。

為了更進(jìn)一步理解以上回流的分布，下面我們?cè)購(gòu)牡刃温方嵌茸鲆淮纹饰觥Ｈ缦聢D所示，為信號(hào)換層時(shí)，參考平面上的回流流動(dòng)方向。

從圖中可以看出，對(duì)于1-2層來說，返回電流的流動(dòng)除了在參考平面2的上表面流動(dòng)以外，在下表面同樣存在一小部分電流的流動(dòng)；同樣，對(duì)于3-4層來說，返回電流的流動(dòng)除了在參考平面3的下表面流動(dòng)以外，在上表面同樣存在一小部分電流的流動(dòng)；這跟單純的微帶線回流是不太一樣的，這種不一樣就是由過孔換層導(dǎo)致的。

2-3之間的電流是通過2和3之間的平面所形成的平板電容流動(dòng)的。我們知道，在兩個(gè)平面的重疊面積之間都會(huì)形成平板電容，所以2-3的內(nèi)層之間形成很多寄生電容效應(yīng)，當(dāng)信號(hào)的參考層切換時(shí)，返回電流會(huì)沿著平面的距離擴(kuò)散開，到底擴(kuò)散到什么位置，這除了跟板子的層疊結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與信號(hào)的頻率相關(guān)，從上圖的仿真看出，頻率越高，擴(kuò)散的越開，這也是高頻信號(hào)總是要走阻抗最低路徑的體現(xiàn)。

當(dāng)增加了伴隨地孔以后，2和3之間的電流流動(dòng)就可以直接通過這個(gè)過孔返回，不需要再通過物理結(jié)構(gòu)形成的平板電容返回，返回電流不再沿著平面進(jìn)一步擴(kuò)散，這就控制了回流的路徑了，使得即使在高頻，返回電流也能以最短路徑返回，從而對(duì)阻抗不造成影響（以下是我系列課部分內(nèi)容）。

可以這么說，學(xué)好信號(hào)完整性最關(guān)鍵的是理解回流，理解了回流，你就拿到了信號(hào)完整性入門的鑰匙，如果大家想進(jìn)一步理解回流和其他信號(hào)完整性相關(guān)的內(nèi)容，請(qǐng)關(guān)注我的視頻課程，在我的課程里會(huì)有更加詳細(xì)的講解。