深亞電子帶大家一起了解什么是參考平面？以及PCB的參考平面理解

1、什么是參考平面？

信號(hào)傳輸需要兩個(gè)基本要素：信號(hào)路徑和參考路徑（返回路徑），也就是說(shuō)所有的信號(hào)傳輸均需要返回路徑。如果只有信號(hào)路徑而沒(méi)有返回路徑，就無(wú)法構(gòu)成信號(hào)的傳輸。參考平面提供信號(hào)返回路徑，對(duì)信號(hào)的質(zhì)量有很大影響。

例如：電源，如果只有正極而不接負(fù)極，無(wú)法供電；電磁波也不存在只有N而沒(méi)有S極。信號(hào)的傳輸是一種電磁波，也是電流傳輸。

2、信號(hào)傳輸原理

信號(hào)回流路徑最終都是回流到GND，但是POWER也可以作為參考平面，解釋有兩種：

1、對(duì)于交流信號(hào)而言，POWER就相當(dāng)于GND，在小信號(hào)通路中，直流電源均看成是GND，為什么？因?yàn)镻OWER與GND之間有大電容，對(duì)于交流信號(hào)，形成了低阻抗的通路。                                                                                                                                         

2、POWER與GND之間有耦合電容，形成了通路，所以在設(shè)計(jì)中，對(duì)于高頻信號(hào)，換層時(shí)增加回流過(guò)孔，減少回流路徑。另外也需要主要，如果參考平面為POWER，其之間的耦合耦合           

 電容越大越好。這也解釋為什么GND平面與POWER平面越近越好，因?yàn)樵黾玉詈想娙?，提供低阻抗通路?/p>

綜上，參考平面最好在同一層，如果不在同一層，那最好是同一屬性的參考平面。

 如上圖，返回路徑中如果沒(méi)有那個(gè)隔離間隙，返回路徑是連續(xù)阻抗是一致的；但是有那個(gè)隔離間隙，導(dǎo)致返回路徑的阻抗不連續(xù)。在B段，返回路徑與驅(qū)動(dòng)路徑之間阻抗將相對(duì)A段而增大，從而造成信號(hào)路徑上阻抗不連續(xù)。阻抗不連續(xù)將造成信號(hào)電平的突變、反射，而這種

突變又會(huì)帶來(lái)信號(hào)完整性、EMI等各方面的問(wèn)題。

除阻抗不連續(xù)外，B段存在的另一個(gè)問(wèn)題是信號(hào)返回路徑上的串?dāng)_，由于間隙的存在，許多驅(qū)動(dòng)路徑與上圖信號(hào)平行的其他信號(hào)，返回時(shí)阻抗最小的路徑都是B段，使B段成為串?dāng)_的集中點(diǎn)，同樣不利于信號(hào)完整性。

以上有兩個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)是阻抗不匹配導(dǎo)致信號(hào)衰減突變反射問(wèn)題，這部分可能就發(fā)射到空間里面去，造成EMI問(wèn)題。另外一個(gè)是就是串?dāng)_，什么意思？互相之間信號(hào)影響，EMI導(dǎo)致的互相干擾問(wèn)題。

3、差分對(duì)信號(hào)是否需要參考平面？

對(duì)于差分對(duì)信號(hào)，對(duì)內(nèi)兩信號(hào)互為對(duì)方提供返回路徑，因此差分對(duì)內(nèi)兩信號(hào)之間的耦合非常重要。既然如此，是否可以說(shuō)差分對(duì)與附近參考平面之間無(wú)需耦合？答案是否定的，受限于器件工藝、PCB走線等因素，對(duì)內(nèi)兩信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的對(duì)稱(chēng)，不可避免地存在共模分

量，這部分共模分量需要通過(guò)參考平面實(shí)現(xiàn)回流，因此，對(duì)于差分對(duì)信號(hào)而言，與參考平面地緊耦合也同樣重要。

4、參考平面的確定

從參考平面的定義來(lái)看，誰(shuí)提供回流通路或說(shuō)提供返回路徑，誰(shuí)就是參考平面。所以一個(gè)信號(hào)可能存在多個(gè)參考平面，只是說(shuō)誰(shuí)提供的路徑比重大小問(wèn)題，

走線、上方平面、下方平面3者共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，所以上下兩個(gè)平面都是信號(hào)的參考路徑，也就是參考平面，從下面的場(chǎng)分布圖中可以很清楚的看到物理環(huán)境和場(chǎng)分布的關(guān)系。從構(gòu)成電流回路的角度來(lái)看，下圖的電流分布圖也很清晰的顯示出返回電流的分

布，如果兩個(gè)平面和走線之間的間距近似相等，那么兩個(gè)平面上的返回電流也近似相等，此時(shí)，兩個(gè)平面同樣重要。從這個(gè)角度也能很好的理解兩個(gè)平面都是參考平面。

理解參考平面的最直接的方法就是“構(gòu)成電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境”。

5、幾點(diǎn)注意

信號(hào)換層有以下要點(diǎn)需要注意：
要點(diǎn)一：
信號(hào)換層時(shí)，最好不要改變參考層。如上述例子中，若信號(hào)的換層是從信號(hào)層1換到信號(hào)層2，參考層都是地層1，在這種情況下，返回路徑無(wú)需換層，即信號(hào)換層對(duì)返回路徑無(wú)影響，這是最佳的換層方案。
要點(diǎn)二：
信號(hào)換層時(shí)，最好不改變參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性。相同網(wǎng)絡(luò)屬性可利用附近的過(guò)孔實(shí)現(xiàn)返回路徑的通路，雖然這個(gè)過(guò)程發(fā)生了阻抗的變化，但由于過(guò)孔的尺寸較小，容性、感性寄生成分較低，過(guò)孔本身產(chǎn)生的阻抗變化可忽略，因此其對(duì)返回路徑的影響不大。
而如果參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性發(fā)生了改變（比如從電源層換到GND層），返回路徑只能借助平面耦合電容或單板上的電源耦合電容，且兩參考層之間存在層間阻抗，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，該阻抗不能被忽略，因此，在返回路徑通過(guò)時(shí)，不可避免地產(chǎn)生了一定地壓降，信號(hào)發(fā)生畸變。
要點(diǎn)三：
信號(hào)換層時(shí)，最好在信號(hào)過(guò)孔附近增加一個(gè)與參考層同屬性地過(guò)孔（換層前后參考層同一網(wǎng)絡(luò)屬性）。一般要求該過(guò)孔與信號(hào)換層的過(guò)孔距離在50mil之內(nèi)
要點(diǎn)四：
若換層前后，兩參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性不同，則要求兩參考層相距較近，以減少層間阻抗和返回路徑上的壓降。
要點(diǎn)五：
當(dāng)換層的信號(hào)較密集時(shí)，附加的地或電源過(guò)孔之間應(yīng)保持一定距離。當(dāng)換層信號(hào)很多時(shí)，一個(gè)地或電源過(guò)孔時(shí)不夠的，需多打幾個(gè)過(guò)孔，若這些過(guò)孔相鄰較近，則信號(hào)回路上會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，返回路徑上的串?dāng)_和驅(qū)動(dòng)路徑上的串?dāng)_對(duì)信號(hào)完整性的影響是相同的。

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