这里可能又会有一个问题。信号线不应该是一个完整的回路么不应该是从GND流回去么为什么又有参考平面了难道说我的参考平面是电源平面的话信号会从电源平面作为回流平面同时为什么经常又用GND作为参考平面“信号线应该是一个完整的回路从GND流回去”这个直觉在直流低频电路里是完全正确的。但在高频AC/动态传输线中情况发生了一些微妙但至关重要的变化。1.为什么“参考平面”可以是VCC/3.3V信号真的会从电源平面流回去吗真的会而且高频信号非常喜欢这么做。直流视角信号从驱动端流出经过走线到达接收端确实需要通过GND回流。如果参考平面是VCC直流电是无法直接回流到GND的回路不通。高频/交流视角重点信号在动态翻转时例如0-11-0产生的是高频交流电。在交流世界里VCC平面和GND平面之间并不是绝缘的。它们之间夹着介质构成了一个巨大的平板电容更关键的是PCB板上到处都有去耦电容Decoupling Capacitors。 在交流意义上VCC和GND是短路的。高频信号的回流电流会顺着电感最小的路径即信号线正下方的区域流到VCC平面上然后在最近的一个去耦电容处穿过电容跳到GND平面上完成回路。因此只要是一个完整的、电位稳定的金属平面在交流高频下它就能充当参考路径。2.为什么要有“参考平面”这个概念而不直接叫“地”传输线如你图中的微带线不仅仅是两根导线。信号在走线上传播时实际上是电场和磁场在走线与参考平面之间的介质中传播。上面的走线微带线和下面的平面共同构成了一个电磁波导。下面的平面提供了一个零电位参考点等电位面。电磁波需要这个参考面才能形成一个完整的场结构TEM波。如果没有这个面电磁场就会散开辐射信号也就无法高质量地传输。所以这个平面的作用不仅仅是“让电流流回去”更核心的是为电磁场提供边界条件让信号能量被“束缚”在走线周围而不是向空间辐射。叫它“参考平面”比叫“回流路径”更接近物理本质。3.为什么经常强调“地平面完整”、“不要跨分割”当参考平面不完整时被分割信号正下方的回流电流走不通了它会被迫绕路寻找其他路径回到源端。绕路意味着回流路径变长这会导致回路电感急剧增大。过大的回路电感会在信号快速翻转时产生巨大的感应电压地弹导致阻抗不连续、信号反射甚至引发严重的电磁干扰EMI把信号能量辐射到空间中。4. 电流总是走“最小电感”的路径。这个路径不是随便找一个地流回去而是紧紧贴在信号线正下方的那个平面上。为什么最好用GND作为阻抗回路在直流DC或低频下大面积铺铜的GND平面确实电阻很小但同样大面积铺铜的VCC电源平面它的直流电阻也很小。如果仅仅是因为“阻抗小”那VCC平面完全有资格做参考面。事实上在高频电路中紧贴在信号线下方的VCC平面完全能够胜任参考面的角色。高频信号选择回流路径时看重的根本不是平面的“绝对电阻”或“对地阻抗”而是“回路电感”Loop Inductance。高频电流总是走感抗最小的路径。只要信号线正下方有一块完整的金属不管它是GND还是VCC正下方的回流路径就是电感最小的路径。5. 既然VCC也能当参考面为什么大家几乎只用GNDGND是全板电压的基准。而VCC平面是“有噪声”的上面有纹波、有开关噪声。如果把VCC作为参考面信号的高低电平判定就会随着VCC的波动而波动容易导致误判。一块PCB上GND通常是一整块完整的平面。而电源平面常常因为存在多种电压如3.3V、1.8V、1.2V等而被分割成好几块。如果你以电源平面作为参考面信号线一旦跨过电源分割区比如从3.3V区域走到1.8V区域上方下方的参考面就断了回流路径被迫绕路导致阻抗突变、信号反射和严重辐射。这就是“跨分割”问题。我们前面说过高频下VCC和GND通过去耦电容是交流短路的。如果信号以VCC为参考面回流到了接收端怎么回到源头呢它必须通过去耦电容跳回GND。如果板子上的去耦电容布局不合理或者离得远回流路径就会被拉长电感增加。而以GND为参考面回流直接通过GND平面回去最直接、最顺畅。GND平面往往还可以起到屏蔽作用阻挡信号向板外辐射也阻挡外部干扰进入。
这里可能又会有一个问题。信号线不应该是一个完整的回路么不应该是从GND流回去么为什么又有参考平面了难道说我的参考平面是电源平面的话信号会从电源平面作为回流平面同时为什么经常又用GND作为参考平面“信号线应该是一个完整的回路从GND流回去”这个直觉在直流低频电路里是完全正确的。但在高频AC/动态传输线中情况发生了一些微妙但至关重要的变化。1.为什么“参考平面”可以是VCC/3.3V信号真的会从电源平面流回去吗真的会而且高频信号非常喜欢这么做。直流视角信号从驱动端流出经过走线到达接收端确实需要通过GND回流。如果参考平面是VCC直流电是无法直接回流到GND的回路不通。高频/交流视角重点信号在动态翻转时例如0-11-0产生的是高频交流电。在交流世界里VCC平面和GND平面之间并不是绝缘的。它们之间夹着介质构成了一个巨大的平板电容更关键的是PCB板上到处都有去耦电容Decoupling Capacitors。 在交流意义上VCC和GND是短路的。高频信号的回流电流会顺着电感最小的路径即信号线正下方的区域流到VCC平面上然后在最近的一个去耦电容处穿过电容跳到GND平面上完成回路。因此只要是一个完整的、电位稳定的金属平面在交流高频下它就能充当参考路径。2.为什么要有“参考平面”这个概念而不直接叫“地”传输线如你图中的微带线不仅仅是两根导线。信号在走线上传播时实际上是电场和磁场在走线与参考平面之间的介质中传播。上面的走线微带线和下面的平面共同构成了一个电磁波导。下面的平面提供了一个零电位参考点等电位面。电磁波需要这个参考面才能形成一个完整的场结构TEM波。如果没有这个面电磁场就会散开辐射信号也就无法高质量地传输。所以这个平面的作用不仅仅是“让电流流回去”更核心的是为电磁场提供边界条件让信号能量被“束缚”在走线周围而不是向空间辐射。叫它“参考平面”比叫“回流路径”更接近物理本质。3.为什么经常强调“地平面完整”、“不要跨分割”当参考平面不完整时被分割信号正下方的回流电流走不通了它会被迫绕路寻找其他路径回到源端。绕路意味着回流路径变长这会导致回路电感急剧增大。过大的回路电感会在信号快速翻转时产生巨大的感应电压地弹导致阻抗不连续、信号反射甚至引发严重的电磁干扰EMI把信号能量辐射到空间中。4. 电流总是走“最小电感”的路径。这个路径不是随便找一个地流回去而是紧紧贴在信号线正下方的那个平面上。为什么最好用GND作为阻抗回路在直流DC或低频下大面积铺铜的GND平面确实电阻很小但同样大面积铺铜的VCC电源平面它的直流电阻也很小。如果仅仅是因为“阻抗小”那VCC平面完全有资格做参考面。事实上在高频电路中紧贴在信号线下方的VCC平面完全能够胜任参考面的角色。高频信号选择回流路径时看重的根本不是平面的“绝对电阻”或“对地阻抗”而是“回路电感”Loop Inductance。高频电流总是走感抗最小的路径。只要信号线正下方有一块完整的金属不管它是GND还是VCC正下方的回流路径就是电感最小的路径。5. 既然VCC也能当参考面为什么大家几乎只用GNDGND是全板电压的基准。而VCC平面是“有噪声”的上面有纹波、有开关噪声。如果把VCC作为参考面信号的高低电平判定就会随着VCC的波动而波动容易导致误判。一块PCB上GND通常是一整块完整的平面。而电源平面常常因为存在多种电压如3.3V、1.8V、1.2V等而被分割成好几块。如果你以电源平面作为参考面信号线一旦跨过电源分割区比如从3.3V区域走到1.8V区域上方下方的参考面就断了回流路径被迫绕路导致阻抗突变、信号反射和严重辐射。这就是“跨分割”问题。我们前面说过高频下VCC和GND通过去耦电容是交流短路的。如果信号以VCC为参考面回流到了接收端怎么回到源头呢它必须通过去耦电容跳回GND。如果板子上的去耦电容布局不合理或者离得远回流路径就会被拉长电感增加。而以GND为参考面回流直接通过GND平面回去最直接、最顺畅。GND平面往往还可以起到屏蔽作用阻挡信号向板外辐射也阻挡外部干扰进入。
