如何为电路结构创建参考平面

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在PCB中需要有一个设计良好的参考平面以获得返回路径。这是电路板总体设计中的关键阶段,但是,如果在设计返回路径时未加注意,则电路板的性能可能会受到影响。本文将研究PCB中的返回路径如何工作,以及提供一些在设计中成功创建参考平面的技巧。

什么是参考平面

尽管通常将印制电路板的走线称为传导信号,但实际上,是走线与信号的返回路径协同工作以传导电压和电流。这两个成对的导体产生信号的电场和磁场,该信号穿过导体之间的空间传播,该空间是分隔走线和返回路径的介电层。就像人们穿过走廊而不是穿过构成走廊的墙壁一样,信号的能量也会穿过痕迹之间的空间而不是痕迹本身。

信号将使用在其自己的频率上可以找到的最接近和最简单的路径作为返回路径。在印制电路板上,它们可能是导线、屏蔽、走线或金属平面。无论信号能够找到的最低阻抗路径如何,它都将用作返回路径。当电路板以较慢的信号速度运行时,返回信号能够在更多地方徘徊,以便找到一条最方便的路径。但是,随着电路板上信号速度的提高,提供清晰的返回路径变得越来越重要,这样才能使信号具有不间断的环路供电流流入。

电路板上信号最理想的返回路径是大面积的金属或平面层,该金属层将成为参考平面。通常,这将是一个接地平面,并且需要在信号走线的相邻层上,并在它们之间有一层电介质。有了明确定义的走线和参考平面,信号的能量将被包含,不会溢出平面到达电路板堆叠中的下一层。这有助于防止信号的能量干扰该区域中的其他信号。但是,如果未正确完成走线和参考平面的配对,则可能会导致PCB性能出现问题。

如果没有参考平面

正如上面提到的,较早的电路及较慢的信号速度对返回路径的要求并没有今天的高速电路高。那些慢板上的配电网络(PDN)通常只是为了设计者方便,而不是为了让信号清晰的返回设计的。但是,在当今的高速电路中,缺少良好的信号返回路径可能会导致电路板中产生大量噪声。这种噪音会产生错误的信号,从而干扰电路的正常运行。缺少直接返回路径也会在该路径中引入阻抗,并在接地层上产生电压降,导致接地反弹。

信号返回将耦合到它们所能找到的任何位置,如果没有好的参考平面,则该能量甚至可能与其他迹线耦合。这被称为共模能量,它可能在意料之外的地方产生天线,并可能产生额外的噪声。参考平面还旨在包含在轨迹周围生成的信号能量场。如果没有足够的参考平面靠近走线上的信号,那么这些能量场可能会扩展到电路板的其余部分,或者扩展到其他设备上。

为清晰的信号路径正确设计参考平面非常重要。接下来将介绍一些正确设计参考平面的技巧。

设计参考平面

为了设计具有良好信号完整性的印制电路板,需要从电路板层的材料和配置开始的许多工程入手。当然,并不用研究所有的细节,只需要注意有效优化参考平面的PCB设计基础知识即可。

将布线信号尽可能保持在一层上:

传输线成功布线取决于将迹线与参考平面耦合以获得良好的信号返回。最好的方法是将走线布线保持在一层上,并使参考平面紧邻该层。但是,这在PCB设计中不是很实际,通常需要更改层以进行所有的布线。更改层时,可以尝试转到与同一平面相邻的下一层。这样,的返回路径可以在同一参考平面上连续不断。但是,如果必须在层堆叠中进一步移动走线,应该使用一个接地传输。

不要在分离平面上布设传输线:

分割用作参考平面的接地平面将切断正在通过该区域的所有信号的返回路径。由于信号必须寻找其他路径才能返回,因此有可能在电路板上产生大量噪声。这些信号返回可能会跳到其他信号轨迹,并在这些线上产生很多共模能量。因此,最好不要分割接地层。

但是,如果必须拆分地平面,应该确保不要在拆分上方布线。在许多情况下,仍然需要在一个点将两个分开的接地平面连接在一起。应该在这个位置上,尝试传输需要跨越拆分的信号。同时进行了电源和接地分配的平面层将无法提供有效的信号返回方式。另一个潜在的问题是插槽、断路或集群通道,它们可能在参考平面上对返回路径设置障碍。

● 模拟、数字部分和信号接地应相互隔离

这些部分可能会因它们产生的噪声而相互影响,因此应将它们分开,并且它们的信号返回不应共享同一参考平面。最好在可能的情况下将隔离平面用于电路的不同区域。

● 走线越短越好

尽管出于时序原因,某些高速走线确实需要增加长度,但最好让走线尽可能短。这为信号提供了最直接的路径,并提供了清晰的返回路径。迹线越短,出现的问题就越少。

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