一文詳解信號的回流路徑

最近在看JT大佬出的一本高速PCB設(shè)計(jì)書籍，看到回流路徑這里，讓我想到最近兩個(gè)群里都提到關(guān)于這個(gè)知識點(diǎn)的問題。書籍很好，但是也會有一些疑問，帶著這些疑問我也查找了相關(guān)資料，我想著盡可能的結(jié)合書中知識以及自己的理解，把這個(gè)問題能給大家講明白，如果有不對的地方，歡迎大家評論區(qū)留言。

本文要從以下五個(gè)小點(diǎn)進(jìn)行闡述：

什么是信號的回流路徑?

為什么要研究信號的回流路徑?

高速信號的回流路徑和低速信號的回流路徑有什么不一樣?

高速信號的回流路徑在信號路徑的下方，怎么理解?

了解回流路徑之后，我們在PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意什么?

問題1、什么是信號的回流路徑?

我們先看一張很基礎(chǔ)的圖，電流從電池的正極出發(fā)，流向負(fù)載RL，再通過負(fù)載的另一端返回電池的負(fù)極，整個(gè)過程形成一個(gè)閉環(huán)，電流只能在這個(gè)環(huán)路中流動，這是電源的回流路徑。

信號的回流路徑也差不多，信號從某個(gè)芯片的驅(qū)動引腳流出，經(jīng)過傳輸線輸送到終端，被另一芯片或其它電路元件接收。然后在信號驅(qū)動電壓的驅(qū)使下，電流通過連接收發(fā)兩個(gè)芯片地引腳的地線，流回驅(qū)動電壓源的負(fù)極。

簡單說，回流路徑就是電流在源端流出，通過某個(gè)回路后，再返回來形成一個(gè)閉合回路，這個(gè)往返過程電流流過的路徑就是整個(gè)信號的回流路徑。

問題2、為什么要研究信號的回流路徑?

為什么要研究信號的回流路徑?換句話說，我們可以不管信號的回流路徑嗎?如果我們不管信號的回流路徑，會造成什么后果?

1、信號完整性問題，信號的回流路徑不連續(xù)會導(dǎo)致信號反射、衰減和失真。

2、信號衰減和噪聲干擾，當(dāng)參考平面出現(xiàn)不連續(xù)時(shí)，信號的回路電流會受到干擾，從而引發(fā)噪聲問題。

3、電磁干擾EMI，不恰當(dāng)?shù)幕亓髀窂娇赡軐?dǎo)致電磁干擾(EMI)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

之所以會引起以上問題，是因?yàn)橛绊懜咚傩盘柕淖钪饕囊蛩厥黔h(huán)路的寄生電感，電感量越大，環(huán)路阻抗越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也越高，就會形成強(qiáng)烈的噪聲。這個(gè)環(huán)路就相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形線圈，會將干擾信號發(fā)射出去，同時(shí)也會接收外界的干擾，從而引起EMC問題。

問題3、高頻信號的回流路徑和低頻信號的回流路徑有什么不一樣?

對于低頻信號來說，信號會沿著阻抗最低的路徑返回，這句話毋庸置疑。但是高頻信號這么說就不一定對，隨著信號頻率的提高，導(dǎo)線的感抗逐漸加大，所以返回路徑為感抗最低的回路，且集中在信號走線的下方，沿著PCB走線方向流動，大家可以看看下面這張圖。

這張圖來源群聊，好像是JT大佬視頻來的

講到這里，王工有兩個(gè)疑問：

1、寄生電感怎么來的?這不僅是本文重點(diǎn)考慮的因素，其它很多地方也都會聽到寄生電感這個(gè)詞，就算工作多年的工程師，你問他為什么，他可能會回答根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)得來。

2、為什么高速信號返回路徑在信號走線的下方?

我們先來看第一點(diǎn)，寄生電感怎么來的?先來百度什么是電感，從最基礎(chǔ)的開始抓起

從定義可以總結(jié)出兩點(diǎn)：1、閉合回路;2、感應(yīng)電流。也就是說只要在閉合回路中，導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化，就會產(chǎn)生變化的磁場，而變化磁場又會產(chǎn)生反向電場來阻止電流變化，這種屬性就是電感，所以我們的電路中都會存在寄生電感。關(guān)注公眾號硬件筆記本

而我們的感抗XL=2πfL，可以看出頻率越高，感抗越大，所以高頻信號必須要把寄生電感考慮進(jìn)去。

為什么高速信號返回路徑在信號走線的下方?請接著往下看

問題4、高速信號的回流路徑在信號路徑的下方，怎么理解?

再回到JT大佬的書，最上面是高速信號的一個(gè)回流路徑示意圖，信號走頂層，然后通過底層地平面返回。

再通過一個(gè)公式和電流分布圖，可得出：返回電流主要分布在走線中心的正下方，而且電流板層越薄，也就是信號跟地平面越靠近，電流分布就越集中。

這個(gè)公式看起來有點(diǎn)復(fù)雜，不太好理解，大家也不用糾結(jié)它怎么來的，記住這個(gè)結(jié)論就好。

問題5、了解回流路徑之后，我們在PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意什么?

1、減小信號回流的環(huán)路面積。環(huán)路面積的大小與線圈輻射和接收電磁波的能力成正比。減小環(huán)路面積有利用降低EMC。

2、走線盡可能短，地平面盡可能完整，且讓信號線與回流地平面路徑盡可能地靠近。

3、在芯片的引腳就近放置高頻小電容，為返回電流提供返回通路，否則返回電流將尋找最近的電源平面和地平面的耦合途徑進(jìn)行回流(使得回流途徑難以預(yù)知和控制，從而對其它走線造成串?dāng)_)。

本文轉(zhuǎn)載自硬件筆記本公眾號