PCB高速电路信号回路的设计

1、什么是信号回路？
PCB中，信号的传输路径是由两条方向相反的路径构成的，一条是驱动路径，由发送端指向接收端，一条是返回路径，由接收端指向发送端。在信号传输时，驱动路径即为信号的PCB走线，返回时则选择与驱动路径阻抗最小的路径。注意，此处的“阻抗”不是“电阻”，而是除了线路的直流电阻外还要考虑工作频率下的回路的寄生电感和电容产生的阻抗，即：
Z=R+jwL+1/(jwC)

信号层的信号将寻找与自身阻抗最小的层作为参考层，因此与信号层距离最近并且平面越完整的层将被选为参考平面。返回路径的选择方式如下图所示：

在A段，参考平面完整，返回路径完全平行于驱动路径。
在B段，参考平面存在一条间隙，该间隙与A段所处的区域电气性质不同，且与A区域之间通过无电气属性的材质隔离，这使得返回路径被迫绕道而行。在B段返回路径与驱动路径之间的阻抗将相对于A段增大，从而造成信号路径上阻抗的不连续，而阻抗的不连续将造成信号电平的突变，带来信号完整性、EMI等各方面的问题。除阻抗不连续外，B段的另一个问题是返回路径上信号的串扰。
2、信号回路举例
对于多数信号，信号必须回到发送端器件的GND才能完成回路。若把电源层作为信号的参考平面，信号到达发送端后还得由电源平面回到地平面才能完成回路。如果电源平面与地平面距离较近，耦合大且阻抗小，那么这种回流方式与以地平面为参考平面的回流方式几乎没有区别。如果电源平面与地平面耦合较差，造成阻抗较大，则该阻抗对信号的回流存在一定的影响。但是，这一规则存在某种特例，比如，某些高速总线，如DDR SDRAM的控制、地址信号，建议以2.5V电源而不是地平面为参考。
以下是一个十二层板信号返回路径的选择：

由上图可以看出，在B、D两段，信号换层前后参考层的网络属性相同，都是电源平面，H段在信号换层前后参考层都是地平面。但是在F段，信号换层后，参考层由电源平面变成了地平面，换层前后网络属性不同，返回路径不能通过过孔实现，只能利用电源层2与地层2之间的平面耦合电容以及电源的去耦电容形成通路。
3、PCB电路设计中的注意要点
（1）信号换层时，最好不要改变参考层。
（2）信号换层时，最好不改变参考层的网络属性。相同网络属性的参考层，比如电源层，地层，虽然参考平面发生了变化，但是可以通过过孔实现返回路径的通路，虽然发生了阻抗的变化，但由于过孔尺寸较小，容性、感性寄生成分较低，过孔本身产生的阻抗变化可忽略，因此对返回路径的影响不大。如果信号的参考层网络属性发生变化，返回路径只能通过平面耦合电容和电源去耦电容形成通路，且两个参考层之间存在层间阻抗，如果两个参考层间隙过大，，则该阻抗不可忽略，返回路径通过时不可避免产生一些压降，信号发生畸变。
（3）信号换层时，最好在信号过孔附近增加一个与参考平面网络属性相同过孔，一般要求该过孔与信号过孔距离在50mil之内。
（4）若换层前后，两参考层的网络属性不同，则要求两参考层距离要近，以减小层间阻抗和返回路径上的压降。
（5）当换层信号比较密集时，附加的地或电源过孔之间应保持一定距离。不同信号回路上的过孔如果距离较近是会产生串扰，容易出现信号完整性的问题。