信号完整性之信号回路（驱动路径与返回路径）

信号的传输路径是由两条方向相反的路径构成，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。在发送端、传输路径、接收端测得的信号电平，实质上是该信号在驱动路径和返回路径上对应位置的电压值（回路上的压降）。对于信号完整性，两条路径同样重要。

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。需要注意的时，这里提到时时阻抗而不是电阻，即，返回路径选择的是： Z=R+j$\omega$L+1/(j$\omega$C) 最小值的路径，对于这条路径的选择，除考虑直流电阻外，还需考虑工作频率下回路的寄生电感和电容所产生的阻抗。

返回路径的选择方式如下图下图所示：

信号层的信号将寻找与自身阻抗最小的层作为参考平面。
与该信号层距离越近、且平面越完整的层，将被选为参考平面。在参考平面上，返回路径的选择仍将遵循与驱动路径最小的原则：
在A段，参考平面完整，返回路径完全平行于驱动路径，因为这样阻抗最小（距离越靠近，驱动路径和返回路径互感增加，反向与自感反向相反，这样整个回路的电感最小）。

在B段，参考平面存在一条间隙，该间隙与A段所处区域的电气性质不同，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，因此，在B段，返回路径与驱动路径之间阻抗将相对A段而增大，从而造成信号路径上阻抗不连续。阻抗不连续将造成信号电平的突变、反射，而这种突变又会带来信号完整性、EMI等各方面的问题。
除阻抗不连续外，B段存在的另一个问题是信号返回路径上的串扰，由于间隙的存在，许多驱动路径与上图信号平行的其他信号，返回时阻抗最小的路径都是B段，使B段成为串扰的集中点，同样不利于信号完整性。

一般而言，高速信号应选取完整的地平面作为参考平面，如果受层叠结构限制，高速信号所在层距离地层较远，也应选择完整的电源平面作为参考层。若受布局布线的限制，PCB上无法提供完整的地平面或电源平面，那么至少应确保与高速信号驱动路径相对应的返回路径上无电气间断，比如在高速信号平行下方或上方铺设参考平面。

完整的电源平面能做参考平面？
对于大多信号而言，信号必须回到发送端器件的GND才算完成回路，若参考平面为电源平面，则信号的参考路径为电源层，到达发送端后，还需由电源平面回到地平面才算完成回路，若电源层与地层之间距离较近，耦合大且阻抗小（事实上，减小两层之间介质的厚度是减小阻抗最有效的方法），则这种回流方式与以地平面为回流的方式几乎没差别。

但若该电源层与底层之间的耦合较差，造成阻抗偏大（例如，该电源层与附近的地层相距较远），则该阻抗对信号的回流产生一定的影响，对于这种情况，以电源平面为回流的方式达不到以地平面为回流方式的效果。

差分对信号是否需要参考平面？
对于差分对信号，对内两信号互为对方提供返回路径，因此差分对内两信号之间的耦合非常重要。既然如此，是否可以说差分对与附近参考平面之间无需耦合？答案是否定的，受限于器件工艺、PCB走线等因素，对内两信号无法实现完全的对称，不可避免地存在共模分量，这部分共模分量需要通过参考平面实现回流，因此，对于差分对信号而言，与参考平面地紧耦合也同样重要。

信号换层对返回路径地影响

上图为常见地八层板层叠结构，从右下角看起，信号经过四次换层，假设两电源层地网络相同（比如都是3.3V），各段返回路径说明如下：
A段：
驱动路径位于信号层8，其最近地参考层是电源层2，因此，返回路径A段位于电源层2.
B段：
驱动路径发生换层，由信号层3换到信号层8，与信号层3最近地参考层是电源层1，换层前后地网络属性相同，因此，返回路径可借助信号驱动路径换层点附近地电源过孔实现。
C段：
驱动路径位于信号层3，电源层1作为其参考层。
D段：
驱动路径发生了换层，由信号层7换到信号层3，与信号层7最近地参考层是电源层2，换层前后参考层地网络属性相同，与B段一样，返回路径借助驱动路径附近电源过孔实现。
E段：
驱动路径位于信号层7，电源层2作为其参考层。
F段：
驱动路径发生换层，由信号层5换到信号层7，与信号层5最近地参考是地层2，换层前后参考层网络属性不同，返回路径无法借助过孔实现，只能利用电源层2和地层2之间地平面耦合电容以及电源的去耦电容形成通路。
G段：
驱动路径位于信号层5，地层2作为其参考层
H段：
驱动路径发生换层，由信号层1换到信号层5，与信号层1最近的参考层是地层1，换层前后参考层的网络属性相同，与B段类似，返回路径借助驱动路径附近的地过孔实现。

信号换层有以下要点需要注意：
要点一：
信号换层时，最好不要改变参考层。如上述例子中，若信号的换层是从信号层1换到信号层2，参考层都是地层1，在这种情况下，返回路径无需换层，即信号换层对返回路径无影响，这是最佳的换层方案。
要点二：
信号换层时，最好不改变参考层的网络属性。相同网络属性可利用附近的过孔实现返回路径的通路，虽然这个过程发生了阻抗的变化，但由于过孔的尺寸较小，容性、感性寄生成分较低，过孔本身产生的阻抗变化可忽略，因此其对返回路径的影响不大。
而如果参考层的网络属性发生了改变（比如从电源层换到GND层），返回路径只能借助平面耦合电容或单板上的电源耦合电容，且两参考层之间存在层间阻抗，当距离较远时，该阻抗不能被忽略，因此，在返回路径通过时，不可避免地产生了一定地压降，信号发生畸变。
要点三：
信号换层时，最好在信号过孔附近增加一个与参考层同属性地过孔（换层前后参考层同一网络属性）。一般要求该过孔与信号换层的过孔距离在50mil之内
要点四：
若换层前后，两参考层的网络属性不同，则要求两参考层相距较近，以减少层间阻抗和返回路径上的压降。
要点五：
当换层的信号较密集时，附加的地或电源过孔之间应保持一定距离。当换层信号很多时，一个地或电源过孔时不够的，需多打几个过孔，若这些过孔相邻较近，则信号回路上会产生串扰，返回路径上的串扰和驱动路径上的串扰对信号完整性的影响是相同的。