为电路组织创建参考平面

关键的外卖

• 什么是参考平面?

• 当PCB没有设计良好的参考平面时可能发生的问题

• 关于参考平面设计的提示，以及PCB设计工具如何提供帮助

PCB设计中对地参考平面的走线

在我们与人的日常交往中，我们都知道一封好的推荐信本质上就是为别人推荐。在社交媒体平台上，你可以留下你雇佣的水管工工作得有多好，或者城里谁的寿司最好吃。在某些情况下，提供推荐人甚至可以让你从心存感激的服务提供者那里获得奖金或降价。通过向前支付，您可以从参考中获得良好的回报，这与PCB设计上的地面返回路径没有什么不同。

信号表明我们如此小心翼翼路线的痕迹因为在我们的设计中必须回到它们的源头。为了实现这一点，他们需要一个设计良好的参考平面来提供良好的返回路径。然而，这是电路板整体设计的关键阶段，如果在设计返回路径时不小心，电路板的性能可能会受到影响。我们将研究PCB中的返回路径是如何工作的，以及在设计中成功创建参考平面的一些技巧。

地平面或返回路径，什么是参考平面?

虽然通常将印刷电路板的迹线称为传导信号，但事实是迹线与信号的返回路径串联工作以传导电压和电流。这两个成对的导体产生了信号的电场和磁场，信号通过导体之间的空间传播，这是将迹线和返回路径分开的介电层。如前所述;就像人们穿过走廊而不是定义走廊的墙壁一样，信号的能量也是如此，它通过痕迹之间的空间传播，而不是痕迹本身。

信号将使用它在自己的频率上能找到的最近和最简单的路径作为返回路径。在印刷电路板中，这最终可能是电线、护盾、走线或金属平面。无论信号能找到的最低阻抗路径是什么，它都将使用它作为返回路径。当电路板以较慢的信号速度工作时，返回的信号能够更多地徘徊，以便在返回时找到一条路径。然而，随着电路板中信号速度的提高，提供一条清晰的返回路径就变得越来越重要，这样信号就会有一个不间断的回路供电流输入。

电路板中信号最理想的返回路径是大面积的金属或平面层，它成为参考平面。通常，这将是地平面，它需要在信号迹线的相邻层上，在它们之间有一层电介质。有了明确定义的跟踪和参考平面，信号的能量将被包含，不会超出平面到板堆叠的下一层。这有助于防止信号的能量干扰该区域的其他信号。但是，如果没有正确地完成迹线和参考平面的配对，则可能会在PCB的性能中产生潜在的问题。

这样的多层路由需要一个精心设计的参考平面来获得良好的信号返回路径

没有一个好的参考平面可能发生的问题

正如我们上面提到的，旧电路较慢的信号速度不像今天的高速电路那样需要从它们的返回路径中得到那么多。一个配电网(PDN)在这些较慢的电路板上的设计往往更多地是为了方便设计者，而不是为了信号的清晰返回。然而，在今天的高速电路中，缺乏良好的信号返回路径可能会导致电路板中的大量噪声。这种噪声可以通过产生错误的信号来干扰电路的正常工作。缺乏直接的返回路径也会在该路径中引入阻抗，并在地平面上产生电压降，导致地反弹。

信号返回将与他们能找到的任何东西耦合，如果没有一个好的参考平面，那么能量甚至可能与其他痕迹耦合。这被称为共模能量，它可以在意想不到的地方产生天线，并可能产生额外的噪声。参考平面还用于包含在迹线周围产生的信号能量场。如果附近没有足够的参考平面来跟踪信号，那么这些能量场可能会延伸到电路板的其余部分或到其他设备上。

如你所见，对于清晰的信号路径，正确设计参考平面是非常重要的。这里有一些关于如何做到这一点的想法。

显示层配对路由选项的PCB侧视图图

成功创建参考平面的建议

为了设计一个具有良好信号完整性的印刷电路板，需要从电路板层的材料和配置开始进行大量的工程决策。我们不会看所有这些细节，而是专注于一个有效的参考平面的良好PCB设计的一些基础知识:

尽可能将路由信号保持在一个层上:

成功的传输线路由取决于与参考平面耦合以获得良好的信号返回。做到这一点的最佳方法是将跟踪路由保持在一个层上，并使用与之相邻的参考平面。然而，这在PCB设计的现实世界中并不实用，你通常需要改变层来获得所有的路由。当你改变图层时，试着去到同一平面相邻的下一层。这样，您的返回路径可以不间断地继续在同一参考平面上。但是，如果必须在层堆栈中进一步转换跟踪，则应该使用地面转移．

你可以在上面的图表中看到这一点。红线表示航迹中的信号方向，蓝线表示飞机上的返回路径。在左侧，你可以看到轨迹向下延伸的地方，有一个穿过多层的通道口，一个转移通道口用于将两个地平面连接在一起，使返回路径不间断流动。在右侧，迹穿过下一个信号层，允许相邻的平面作为两个信号层的不间断返回路径。

不要将传输线穿过分割平面:

分割一个被用作参考平面的地平面将切断任何通过该区域的信号的返回路径。这有可能在你的电路板上产生很多噪音，因为信号必须找到其他路径返回。这些信号返回可能会跳到其他信号轨迹上，并在这些线路上产生大量共模能量。你能做的最好的事情就是不要分割一个地平面。

然而，如果你必须分割一个地平面，确保你没有在分割上路由。在许多情况下，分开的两个地面平面仍然需要在一点上连接在一起。正是在这个点上，你应该尝试路由任何需要跨越分裂的信号。同时拥有电源和地面的平面层将提供很少的有效信号返回方式。另一个潜在的问题是槽、切口或聚集过孔，它们可能在参考平面上对返回路径设置障碍。在下面的图片中，你可以看到如何过孔线在地面上有效地阻止了该区域的明确返回路径。

上图所示的通孔线将有效地阻塞该参考平面上的信号返回路径

模拟和数字部分及信号应相互隔离

这些部分会通过它们产生的噪声相互影响，它们应该被分开，而不是共享相同的信号返回参考平面。这是一个很好的实践孤立的飞机对于不同区域的电路，如果可能的话。

保持跟踪路由尽可能短

尽管一些高速的痕迹由于时间原因，确实需要增加长度，通常最好使跟踪尽可能短。这为信号提供了最直接的路径，并为您提供了一个清晰的返回路径的最佳机会。跟踪越短，产生问题的时间就越短。

为了跟上所有这些规则，加上高速设计的其他要求，您需要先进的PCB设计CAD工具的功能。接下来，我们将看看像Cadence的Allegro PCB Designer这样的工具可以帮助的一些方法。

Allegro中的形状参数菜单可用于在平面上设置各种连接

你的PCB设计工具如何帮助平面创建

创建有效参考平面的关键是使用PCB设计CAD工具，这些工具可以让您完全控制设计中的图形。使用Cadence Allegro PCB设计器，您可以控制平面形状的所有方面，正如您可以在动态形状实例的图片中看到的那样参数菜单如上所示。您可以使用这些功能来配置平面连接，以及如何填充和构造平面。这样，您就可以根据设计的需要在第一时间创建参考平面。

快板也有约束管理系统这允许您在一个应用程序中设置和管理所有高速设计规则和约束。您不仅可以使用此特性配置常规的轨迹宽度和间距规则，还可以配置高速线路的轨迹长度和地形以及许多其他约束。约束管理器在两者之间工作原理图及平面布置允许设计工程师在设计电路时按照高速规则工作。这与Allegro的其他功能一起，将帮助您在设计下一个PCB项目时更加高效。

有关如何使用和设计高速传输线的更多信息，请参考本文电子书．

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