通常人們將傳輸線設計中的返回路徑都靠近信號路徑,而且信號源和負載都跨接在信號路徑和返回路徑之間,比如微帶線,信號源和接收器都跨接在導帶和“地”之間,用上面的理論解釋是很明了的。但是,在多層PCB結構中,如圖1所示的結構是很常見的,中間還懸空一個大的金屬平面,那么哪一個才是返回路徑呢?
圖1 多參考平面結溝
回路電流的分布總是趨于減小回路電感。對于圖1所示的結構,返回路徑是沿電容→參考平面1(Ref1)→參考平面2(Ref2)流動的。信號路徑上的電流在懸空的中間參考平面Ref1的上表面感應出渦流,參考平面Ref2的返回電流叉在中間參考平面Ref1的下表面上感應出渦流,這些感應的渦流在參考平面Ref1的一側相聯通,這就構成了一個完整的返回路徑,如圖2所示。
那么,從信號源一側看進去,信號受到的瞬態阻抗為多少呢?信號受到的瞬態阻抗是兩條傳輸線瞬態阻抗的串聯。一條由微帶走線和中問平面Refl組成,特性阻抗為Z01;另一條由兩個參考平面組成,特性阻抗為Z12。那么信號受到的瞬態阻抗為
因兩個寬的金屬平面組成的傳輸線的特性阻抗很小,所以信號受到的瞬態阻抗基本上就是微帶走線與之最近的參考平面所構成的傳輸線的特性阻抗,而與信號源返回端實際連接在哪個平面無關。同時,為了最大限度地排除金屬平面間阻抗的影響,要盡量減小平面間介質的厚度。
圖2 多參考平面的返回電流路徑
在多層PCB中,為了完成復雜的布線,有時不得不使用過孔將信號走線從一層轉換到另一層,這時的返回電流路徑又是怎樣的昵?
如圖3所示為過孔穿過一層和兩層參考平面時的返回電流分布。對于過孔只穿過一層參考平面的情況,返回電流在參考平面的兩個表面間切換,不會帶來什么問題。如果過孔不得已需要穿過兩層參考平面,而且兩個平面的直流電壓不同,則返回電流只能通過電容耦合從一個平面到另一個平面。
圖4 過孔布線的返回電流
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