PCB走線的參考平面在哪，怎么判斷？

中信華

  o  U' j3 r" V& r$ M- W! T' w5 @) P0 n　　PCB走線的參考平面在哪，怎么判斷？
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1 Q4 G1 {& q  \5 s　　很多人對于PCB走線的參考平面感到迷惑，經(jīng)常有人問：對于內(nèi)層走線，如果走線一側(cè)是VCC，另一側(cè)是GND，那么哪個(gè)是參考平面?

　　要弄清楚這個(gè)問題，必須對了解傳輸線的概念。我們知道，必須使用傳輸線來分析PCB上的信號(hào)傳輸，才能解釋高速電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。最簡單的傳輸線包括兩個(gè)基本要素：信號(hào)路徑、參考路徑(也稱為返回路徑)。信號(hào)在傳輸線上是以電磁波的形式傳輸?shù)模瑐鬏斁�的兩個(gè)基本要素構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。從電磁波傳輸?shù)慕嵌葋碇v，信號(hào)路徑和參考路徑一道構(gòu)成了一個(gè)特殊物理結(jié)構(gòu)，電磁波在這個(gè)結(jié)構(gòu)中傳輸。從電流回路角度來講，信號(hào)路徑承載信號(hào)電流，參考路徑承載返回電流，因此參考路徑也稱為返回路徑。
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  L* \4 S# I/ W　　對于PCB上的表層走線，走線和下面的平面層共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。這里，走線下面的平面到底是什么網(wǎng)絡(luò)屬性無所謂，VCC、GND、甚至是沒有網(wǎng)絡(luò)的孤立銅皮，都可以構(gòu)成這樣的電磁波傳輸環(huán)境，關(guān)鍵在于下面的平面是導(dǎo)體，這就夠了。信號(hào)路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對于PCB上這一特殊結(jié)構(gòu)，參考路徑是以平面的形式出現(xiàn)的，所以也叫參考平面。從電流回路的角度來說，參考平面承載著信號(hào)的返回電流，所以也叫返回平面。下面的圖顯示了表層走線的場分布和電流分布。這里參考平面的作用應(yīng)該很清楚了：作為電磁波傳輸物理環(huán)境的一部分(從電磁波傳輸角度)、作為電流返回路徑(從電流回路角度)。

　　如果搞懂了上面的邏輯，那么內(nèi)層走線的參考平面在哪就很清楚了，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，從下面的場分布圖中可以很清楚的看到物理環(huán)境和場分布的關(guān)系。從構(gòu)成電流回路的角度來看，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。如果還是無法理解為什么兩個(gè)平面都是參考平面，不防好好看看下面的這個(gè)圖，無論從哪個(gè)方面來看，兩個(gè)平面是完全對稱的，為什么還糾結(jié)哪個(gè)是參考平面，如果一個(gè)是，那么另一個(gè)為什么不是?
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% m$ n4 u7 ?# W5 I/ [8 l" ~! d　　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”。

7 f& k6 K$ r+ q3 z3 c4 h　　當(dāng)然導(dǎo)體必須是“平面形式”才能稱為“參考平面”，要不然何來平面之說!
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; g' B6 x- H6 |9 N$ O* V! {  Y6 f　　前文指出了如果兩個(gè)平面和走線的間距近似相等(這種情況在十幾層的板子上很常見)時(shí)，那么兩個(gè)平面對于走線的重要性也近似一樣。實(shí)際工程中我們還會(huì)碰到另一種情況，兩個(gè)平面其中之一距離走線很近，另外一個(gè)距離走線很遠(yuǎn)，比如典型的6層板配置，中間的芯板(Core)厚度通常在1毫米以上。下圖是一個(gè)6層板層疊示例，內(nèi)層兩個(gè)信號(hào)層InnerSignal1和InnerSignal2都屬于這種情況，這時(shí)兩個(gè)平面對內(nèi)層走線的作用肯定是不同的。這時(shí)哪個(gè)是參考平面?

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8 v, ~: A6 \" R2 @　　先看平面上的返回電流，對于InnerSignal2來觀察遠(yuǎn)離它的VCC平面上的返回電流有多少。下圖是紅色表示的是信號(hào)電流10mA，藍(lán)色表示的就是VCC上的返回電流約1.2mA。遠(yuǎn)離InnerSignal2的VCC上的返回電流很少，有近90%的返回電流時(shí)從緊鄰InnerSignal2的GND平面上返回的，GND平面對InnerSignal2影響遠(yuǎn)大于VCC平面。

) s+ w& e8 C3 f! L+ V  C! p4 y2 G　　再看VCC平面對InnerSignal2層走線阻抗的影響。下圖將有VCC平面和沒有VCC平面兩種情況下走線阻抗做了一個(gè)對比，即使拿掉VCC平面也沒有對走線阻抗產(chǎn)生致命的影響，阻抗變化量不到1歐姆，變化率小于2%。從工程角度來講可以近似認(rèn)為InnerSignal2層走線參考平面就是和它最接近的GND平面。
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! u, F; s' i: }' L  Z. H/ a% i　　盡管可以這樣近似，但關(guān)鍵是一定要清楚距離InnerSignal2層很遠(yuǎn)的那個(gè)VCC平面不是沒有影響，只不過影響不大而已。任何時(shí)候不要把問題絕對化，這樣對初學(xué)者有百害而無一利，如果總是追求非此即彼、非黑即白，很可能會(huì)走入死胡同。

　　高速電路信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中，很多問題都是這樣，你要關(guān)注的不是“有”還是“沒有”的問題，而是“多”和“少”的問題。這樣在對付毫不講情面的電路板的時(shí)候才能有足夠的底牌，防止它耍脾氣撂挑子，最大限度的掌控它。
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