芯耀
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下圖展示了電壓階躍是如何沿著印刷電路板（PCB）走線傳播的。在這個示例中，我們看到一條走線通過 ?PCB 板的介電材料與接地回流平面分隔開來。當信號沿著走線傳播時，變化的電場和磁場會跟隨波前。電磁波以 1.8×10? m/s的極快速度傳播，而電子從正極到負極的實際傳導速度卻非常慢，僅為 0.01?m/s。
這里的關(guān)鍵要點是，電磁波在 PCB ?板的介電材料中傳播，并由頂部的走線和底部的接地回流平面引導。在我們逐步講解今天的內(nèi)容時，請牢記這種波導的概念。
看待同一個電路的另一種方式是將傳輸線視為一系列的 LC 電路（電感 - 電容電路）。當波前沿著 PCB 走線推進時，電容和電感會充電至穩(wěn)態(tài)。在波前位置會出現(xiàn)瞬時電流，但在波前之前和之后，LC 電路都將處于穩(wěn)態(tài)。這實際上只是看待上圖中同一電路的另一種視角。請記住，這個波前傳播速度極快，但傳導電流的移動速度卻很慢。
下圖旨在說明傳導電流和位移電流之間的區(qū)別。它展示了一個包含電壓源、導線和負載的簡單電路。傳導電流是指電子從電壓源的正極出發(fā)，經(jīng)過負載，再到達電壓源負極的移動過程。這種移動速度非常慢，僅為 0.01?m/s。
另一方面，在 FR4 材質(zhì)的 PCB 中，位移電流的傳播速度非常快，達到了 141×10??m/s?？梢园盐灰齐娏飨胂蟪蓮?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%BA%90/">電源起始的一連串電子碰撞反應(yīng)，這些電子碰撞經(jīng)過負載，再回到電源的負極。
打個比方，想象有一根裝滿水的軟管。當你打開水龍頭時，水會立刻從軟管的另一端流出。水分子的一連串碰撞反應(yīng)從水龍頭開始，沿著軟管持續(xù)進行，迫使水從軟管末端流出。雖然水龍頭里的水可能需要一段時間才能流到軟管末端，但在打開水龍頭的瞬間，水就會從軟管中噴射出來。
電磁波的傳播和位移電流的情況與此類似。波前和位移電流移動迅速，但傳導電流卻非常緩慢。
現(xiàn)在，讓我們來討論一下對于低頻信號而言，回流電流在PCB的接地平面中是如何相對于頂層信號走線流動的。這里展示的圖是印刷電路板的頂層，施加到連接器的信號沿著 PCB 頂層的紅色走線傳輸?shù)奖粶y設(shè)備（DUT）。對于低頻信號，接地平面中的回流電流會在整個電路板上擴散，并沿著電阻最小的路徑流動。在這種情況下，“低頻” 指的是頻率低于 100 KHz的信號。
有一個很形象的比喻有助于解釋信號走線下方波前的大小是如何變化的，那就是 “電磁干擾先生（Mr EMI）”。電磁干擾先生代表的是頂層和接地回流平面之間的波前。電磁干擾先生會適應(yīng)這個波導的大小，所以如果PCB的走線靠近接地回流平面，波前的尺寸就會比較小。
另一方面，如果信號路徑和回流路徑之間的距離較大，電磁干擾先生就會變大。此外，如果回流路徑中存在間隙，電磁干擾先生就會伸展以適應(yīng)回流路徑。電磁干擾先生可不是你的朋友，所以要盡量讓他的 “體型” 小一些。我知道這個比喻有點滑稽，但我希望它能幫助你想象不同的PCB幾何形狀是如何改變波前大小的。
現(xiàn)在，讓我們來看看當信號通過過孔在PCB的頂層和底層之間轉(zhuǎn)換時，信號是如何在電路板上傳輸?shù)摹Ｕ堊⒁?，這個示例布局采用了一種不常見的堆疊方式，有兩個內(nèi)部接地平面。事實證明，這種堆疊方式對于低電磁干擾（EMI）來說非常好。我們稍后會詳細講解這一點。
現(xiàn)在，我們先來看一個使用過孔進行層間轉(zhuǎn)換的設(shè)計良好的示例，然后再看一個設(shè)計欠佳的示例?？梢园研盘枌雍徒拥鼗亓髀窂较胂蟪尚盘杺鞑ニㄟ^的波導。當信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時，接地回流路徑需要從內(nèi)部接地平面 1 轉(zhuǎn)換到內(nèi)部接地平面 2。它通過縫合過孔作為從頂層到底層的垂直波導來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在這個示例中，整個信號路徑都有一個良好的、連續(xù)的波導供信號傳輸。現(xiàn)在，讓我們來看看同樣的電路但采用錯誤設(shè)計的情況。
這里是同樣的電路，但沒有縫合過孔。在這種情況下，信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時，沒有垂直波導來約束波前。因此，在過孔轉(zhuǎn)換點處會出現(xiàn)射頻輻射。你可能會想，自己的系統(tǒng)只有一個 50 MHz的時鐘，怎么會產(chǎn)生高頻輻射呢。別忘了，方波的傅里葉級數(shù)表明其頻率成分能達到GHz級別，而且波形的上升時間決定了會有多少高頻成分。下圖重點是強調(diào)使用縫合過孔為信號在層間轉(zhuǎn)換提供連續(xù)波導的重要性。
這是一個六層板的例子，展示了信號從頂層到內(nèi)層信號層一的過孔轉(zhuǎn)換情況。這種配置有一個顯著的優(yōu)點，那就是它不需要縫合過孔。內(nèi)層接地平面一同時充當了頂層和內(nèi)層信號層一的回流路徑。它還為層間轉(zhuǎn)換的波前充當了垂直波導。請注意，由于趨膚效應(yīng)，接地回流平面頂層和底層的接地回流電流不會相互混合。趨膚效應(yīng)是一種高頻電流只在導體表面流動的現(xiàn)象。
一種將內(nèi)部接地平面相互連接起來，同時也將頂層和底層敷銅與接地相連的方法，是使用縫合過孔的分布式陣列。許多PCB布局軟件程序都提供了一種自動生成這種分布式過孔陣列的方法。這些過孔之間的間距可以設(shè)置為所施加的最高頻率對應(yīng)波長的十分之一。
下圖展示了一種更為常見的PCB堆疊方式，其中包含一個內(nèi)部接地平面以及一個內(nèi)部電源平面。與之前有兩個接地平面的例子相比，這是一種更常見的堆疊方式。然而，要實現(xiàn)良好的電磁干擾（EMI）特性性能，這種方式可能會更具挑戰(zhàn)性一些。值得注意的是，信號回流電流會在最靠近的相鄰平面中流動。
無論這個平面是電源平面還是接地平面，情況都是如此。所以在這個例子中，當信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時，回流路徑需要從內(nèi)部接地平面 1 轉(zhuǎn)換到內(nèi)部電源平面。這里存在一個問題，那就是不能在接地和電源之間設(shè)置縫合過孔，因為這樣會使接地和電源短路。相反，回流電流必須通過一個縫合電容來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在很多情況下，這個縫合電容就直接采用最靠近層間轉(zhuǎn)換過孔的去耦電容。從這個例子中可以看到，信號在頂層和底層之間轉(zhuǎn)換時，射頻輻射達到了最小。
下圖展示的設(shè)計與上圖相同，但沒有使用縫合電容。當信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時，回流信號沒有一個良好的路徑從內(nèi)部接地平面轉(zhuǎn)換到內(nèi)部電源平面。這樣在進行層間轉(zhuǎn)換時就會導致射頻輻射的產(chǎn)生。這個問題可以通過充分使用縫合電容或去耦電容來避免。
你可能會問的一個問題是，在將兩個平面連接在一起方面，縫合電容是否和縫合過孔一樣有效。簡短的回答是，在高頻情況下，縫合電容通常不如縫合過孔有效。原因在于，使用縫合電容需要兩個過孔和一個電容。電容以及兩個過孔都會存在電感，這會限制兩個平面之間這種交流連接的效果?？p合過孔也會有電感，但它的電感會小于縫合電容及其相關(guān)的兩個過孔的電感之和。
此外，縫合過孔尺寸小，而且?guī)缀鯖]有成本，而電容會占用PCB的空間，增加成本，還會使設(shè)計變得復雜。不過，一般來說，縫合電容也就是去耦電容，無論如何都是需要的。
一些PCB設(shè)計師會使用縫合電容或去耦電容的分布式陣列，這與我們之前討論過的過孔陣列類似。但我認為，更合理的做法是有策略地將電容放置在真正需要它們的位置。
當然，最佳做法是避免在接地平面上出現(xiàn)縫隙。但在某些情況下，這可能不太現(xiàn)實。將回流路徑中不連續(xù)部分的影響降至最低的一種方法是使用縫合電容，或者在走線旁邊設(shè)置接地橋。在這個例子中，你可以看到回流電流從接地平面轉(zhuǎn)換到頂層的縫合電容，從而跨越接地平面上的縫隙。
Tips：一些關(guān)于信號完整性SI常見的問題及回答
1、在下面的PCB布局中，一條信號走線位于 5 V和 3.3 V的電源平面上方。這種設(shè)計是否存在潛在的電磁干擾（EMI）問題呢？
a) 這種 PCB 設(shè)計沒有問題?；亓麟娏鲿诘仄矫嬷辛鲃?。
b) 回流電流會在相鄰的電源平面中流動，但是由于電源平面是分割開的，所以高頻回流電流無法保持在信號走線下方，從而導致電磁輻射。
回答：
正確答案是 “b”，即回流電流會在相鄰的電源平面中流動，但是由于電源平面是分割開的，所以高頻回流電流無法保持在信號走線下方，從而導致電磁輻射。回流電流沒有明顯的路徑，因此會產(chǎn)生射頻輻射，并且回流電流會擴散到電路板更廣泛的區(qū)域。
2、在下面的PCB布局中，有哪些方法可以用來提升電磁干擾（EMI）性能呢？
a) 可以調(diào)整走線布線，使其僅位于 3.3 V電源平面上方，并且不跨越到 5 V平面的間隙。
b) 可以移動接地平面，使其直接與頂層信號層相鄰。這樣，頂層信號就會有一條連續(xù)的回流路徑。
c) 可以使用縫合電容，從交流的角度將兩個平面連接起來，并彌合回流路徑上的間隙。
d) 以上所有方法。
回答：
正確答案是 “d”，即以上所有選項。或許最簡單的解決辦法就是簡單地重新布置走線，這樣回流電流就能在 3.3 V的平面上有一條連續(xù)的路徑。另一種方法是確保信號走線始終與一個完整的接地平面相鄰，所以改變電路板的疊層結(jié)構(gòu)，讓接地平面位于頂層信號的下方也能奏效。最后，從交流的角度來看，使用縫合電容在兩個平面之間建立連接，是將這兩個平面連接起來的一種可行方法。
3、對于下面的兩塊電路板，一條模擬信號走線被放置在一條數(shù)字信號走線附近。兩塊PCB的布局是相同的，唯一的區(qū)別在于 PCB 的厚度。哪種布局能將數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾降到最低呢？
a) 設(shè)計 1
b) 設(shè)計 2
c) 從串擾的角度來看，它們是一樣的。
回答：
正確答案是 “b”，即設(shè)計 2。較厚的電介質(zhì)為回流電流提供了擴散的空間。
4、對于下面兩塊電路板，一條模擬信號走線被布置在一條數(shù)字信號走線附近。兩塊PCB的布局完全相同，唯一的區(qū)別在于 PCB 的厚度。哪種布局能將數(shù)字信號與模擬信號之間的干擾降至最低？
回答：
在這里你可以看到，對于較厚的電介質(zhì)，“電磁干擾先生（Mr. EMI）” 有更多的空間可以擴散。因此，設(shè)計 1 中的場會相互重疊，而在設(shè)計 2 中，場要小得多，并且彼此是分開的。這意味著設(shè)計 2 中的串擾比設(shè)計 1 中的更低。
