信号完整性的钥匙 之回流

Zjianeng

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我们在学习信号完整性的时候，经常听到“回流”这个概念，我相信很多人是没有深刻理解“回流”这个概念的，但是当你真正理解了回流之后，你就能理解很多高速的原理和现象，理解回流是学好信号完整性的前提。

那么到底什么是回流呢？回流又是如何影响信号完整性的呢？请看下面这个实例。

微带线的回流分布

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二、回流的实例

首先观察一个现象，如下图所示，为一个典型的4层板结构，信号从第一层经过孔换到第4层，相应的参考平面从第2层切换到第3层。这是我们在Layout设计的时候经常遇到的情况。

4层板层叠结构

我们首先来看S参数，随着频率的升高，回波损耗S11变的越来越差，尤其在10GHz以后达到了-16.2dB，已经小于-20dB的要求。

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当信号过孔旁边增加伴随地孔以后，其S11在10GHz达到了-28.3dB，这表明高速性能变好了。

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这就是为什么很多的高速电PCB设计规则里面要求的，“高速信号换层时需要打伴随地孔”的原因。

那么作为一个对技术有追求的工程师来说，不能到这里就结束了，一定要多问几个为什么。为什么增加了地孔以后，高频处的性能会变好呢？

既然S11反应的是信号的阻抗特性，那就意味着在没有增加伴随地孔地时候，高频处的阻抗特性变差，而增加了伴随地孔以后，阻抗特性变好了，那么这是为什么？今天我们从回流的角度给大家解释阻抗特性。

1和2、3和4之间形成传输线模型，其返回电流仍然满足微带线的回流特征，我们重点关注2和3之间返回电流分布。没有伴随地孔时，层2的下表面以及层3的上表面，其电流密度分布如下图所示：

F=3.3GHz

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F=10GHz

从图中可以看出，地平面上的回流在3.3GHz时主要分布于过孔周围的一个很小区域内，而在10GHz时，地平面上的回流不仅分布于过孔周围，还进一步延展到了更远处，这意味着回流走的路径更长。

当在信号孔旁边增加2个伴随地孔以后，参考层上的电流密度分布如下图所示：

F=3.3GHz

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F=10GHz

从图中可以看出，在3.3GHz和10GHz时，电流密度集中分布于信号过孔与伴随过孔之间，不再像外扩散，这就改变了回流的路径，使得在高频处，回流路径变短，路径上的寄生电感变小了。此时伴随地孔的作用就是给参考平面切换的时候，提供了一个最短的回流路径。这也是为什么伴随地孔有时候又叫回流过孔的原因。

为了更进一步理解以上回流的分布，下面我们再从等效单路角度做一次剖析。如下图所示，为信号换层时，参考平面上的回流流动方向。

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从图中可以看出，对于1-2层来说，返回电流的流动除了在参考平面2的上表面流动以外，在下表面同样存在一小部分电流的流动；同样，对于3-4层来说，返回电流的流动除了在参考平面3的下表面流动以外，在上表面同样存在一小部分电流的流动；这跟单纯的微带线回流是不太一样的，这种不一样就是由过孔换层导致的。

2-3之间的电流是通过2和3之间的平面所形成的平板电容流动的。我们知道，在两个平面的重叠面积之间都会形成平板电容，所以2-3的内层之间形成很多寄生电容效应，当信号的参考层切换时，返回电流会沿着平面的距离扩散开，到底扩散到什么位置，这除了跟板子的层叠结构相关，还与信号的频率相关，从上图的仿真看出，频率越高，扩散的越开，这也是高频信号总是要走阻抗最低路径的体现。

当增加了伴随地孔以后，2和3之间的电流流动就可以直接通过这个过孔返回，不需要再通过物理结构形成的平板电容返回，返回电流不再沿着平面进一步扩散，这就控制了回流的路径了，使得即使在高频，返回电流也能以最短路径返回，从而对阻抗不造成影响。

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学好信号完整性最关键的是理解回流