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1、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的信號完整性安琪中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子學(xué)實驗室2005年4月9日第二講：串?dāng)_與多層PCB板分層考慮2-1“地”概念2-2信號電流的返回2-3地平面上信號返回電流的串?dāng)_（Crosstalk）2-4非理想的信號返回電流通道2-5保護(hù)線2-6近端和遠(yuǎn)端的串?dāng)_2-7多層PCB板分層設(shè)計中國科大快電子學(xué)安琪22-1“地”概念電子學(xué)中“地”的解釋，不同的人可以有不同的說法。?對于數(shù)字邏輯設(shè)計人員來說，它涉及到對于數(shù)字邏輯信號的一個參考電平；?對于系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計工程師，它可以是連接電路的金屬外殼或機(jī)箱
2、；?對于一個電工來說，它指的是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第三根“安全”地線。然而，從一般的意義上講，我們可以將“地”的概念從兩個方面來認(rèn)識：?安全地（SafetyGround）。?信號的零電位參考（0VReferenceGround）。中國科大快電子學(xué)安琪3兩個定義?安全地若一個“地”通過一個低阻抗通道連接到大地（Earth）上，我們稱這個地為安全地。?信號的零電平參考在電路系統(tǒng)中，信號“地”通常被定義為一個等電位的參考點(diǎn)，一般是采用零電位參考點(diǎn)，所以信號“地”被稱為零電位參考，或者說零電平參考。一個基本的概念往往被
3、忽視，這就是電路中信號電流需要一個返回通道，以返回到它的源頭，即出發(fā)點(diǎn)。因此，當(dāng)我們討論這個問題時，我們必須牢記兩個基本概念：?只要電流從一個有限值的阻抗上流過，在這個阻抗上就會產(chǎn)生電壓，這是由歐姆定律所描述的?，F(xiàn)實世界里很難找到一個絕對的“零電位”。哪怕電壓非常小，可能是在的量級，但它也是存在的。?信號電流必須返回到它的源頭。中國科大快電子學(xué)安琪4信號電流的低阻抗回流通道從高速電路的角度出發(fā)，對于信號“地”的一個更好的定義是：信號電流返回到它的源頭的低阻抗通道。有人甚至說，忘掉“地”這個術(shù)語，考慮改為信
4、號的返回通道（Forgettheword“Ground”,think“ReturnPath”）。在這個范疇里，我們更關(guān)心的是電流信號，而不是電壓信號。如果兩個電路點(diǎn)存在著一定的阻抗，并有電壓差存在，則根據(jù)歐姆定律，一定會有電流流過。而且，地線上的電流決定了兩個電路之間耦合的磁場大小。這是因為兩個電路之間閉環(huán)回路的存在，電流在這個環(huán)中的流動導(dǎo)致了磁場的產(chǎn)生。電子工程師必須認(rèn)真對待信號電流返回的通道，考慮電流從哪里流過？在這些思考和研究中，我們應(yīng)當(dāng)牢記一個基本的事實：電流流過的任何導(dǎo)體上都會有電壓降的存在。從
5、這個意義上講，“信號的零電平參考”和“信號電流的低阻抗回流通道”這兩個概念是緊密相關(guān)的，應(yīng)該說，是從不同的角度來看待同一個問題。前者從電壓的角度，后者從電流的角度，對于高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計人員來說，我們更喜歡使用后者，在系統(tǒng)設(shè)計中考慮信號電流的低阻抗回流通道。中國科大快電子學(xué)安琪5低速電路的“最小電阻”原則在低速電路中，信號電流的返回通道遵循著最小電阻原則，如圖2-3-1所示。驅(qū)動門A的輸出信號沿著板上的PCB連線傳輸?shù)碾娮鐱點(diǎn)，然后由地面板返回到驅(qū)動門A。返回的線路由圖中虛線標(biāo)出。每一根弧線上的電流密度取決
6、于它的電導(dǎo)，或者說是電阻。2-2信號電流的返回圖2-2-1低頻信號沿最小電阻通道返回中國科大快電子學(xué)安琪6高速數(shù)字電路的“最小電感”原則在高速電路中，電感的阻抗影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通道的電阻，信號電流的返回通道遵循著最小電感原則，而不是低速電路中的最小電阻原則。我們知道，電路中的電感與信號流動的環(huán)面積成正比。當(dāng)其它因素相同時，環(huán)面積越大，電感也越大。因此，當(dāng)高速的信號電流沿著信號連線的垂直下方的地平面板上返回時，其形成的電流環(huán)面積最小，也就是說電感最小。這樣的返回通道就是所謂的最小電感通道，如下圖所示。圖2-2
7、-2高頻信號沿最小電感通道返回中國科大快電子學(xué)安琪7返回電流的密度分布圖3-2-3給出了一個典型的PCB板高頻信號連線和它的返回電流密度分布的橫截面。在信號連線的垂直下方的電流密度最大，并且在其兩邊隨距離迅速下降。圖3-2-3信號連線下方的返回電流密度分布中國科大快電子學(xué)安琪8返回電流的密度分布公式距離信號連線中心點(diǎn)為D處的電流密度，可以用下式進(jìn)行計算。該式一個近似公式。（3-2-1）這里：I0：總的信號電流，單位為安培（A）。H：信號連線與地面板之間的距離，單位為英寸（in）。i(D)：返回電流的電流密
8、度，單位為安培/英寸（A/in）。上式表明返回電流的電流密度分布平衡了兩個相反的趨勢:?電流越強(qiáng)（電流密度越大）的地方，感應(yīng)信號越大。即：感應(yīng)信號正比于流過的電流。如一根細(xì)導(dǎo)線的電感應(yīng)比一個平板導(dǎo)體的電感應(yīng)肯定要大；?離信號連線越遠(yuǎn)的地方，因為信號電流流出和返回形成的環(huán)也越大，電感增加。即：電感正比于電流環(huán)的面積，感應(yīng)信號也正比于電流環(huán)的面積。在這兩種相反的趨勢中，電流密度的衰減更快，因為它是以距離D的平方成反比的。上式表述的
