信号的返回电流和返回路径宽度等问题

信号的返回电流

传输线的最初理解是用于信号传输,是由任意两条一定长度的导线组成,一条为信号线,另一条为返回线,也可以理解为信号路径和返回路径。

信号的传输是因为电压差,以此产生的电场和磁场,信号就是在这种电磁场变换中,一步一步,往前推进的。既然存在电磁场的变换,有的资料给出的解释:互容和互感,也就是电压的变化和电流的变化。

前面信号的传输已讲过,信号的传输不是瞬时到达,是有时间延迟的。当然,这种延迟是和真空中的光速对比。信号的传输既然存在延迟,在传输过程中,是存在回流的,以此形成信号传输的电流环路。这个地方就存在疑惑:信号的返回电流是什么样的情况?是否也存在延迟?

为了更直观的表明信号的返回电流情况,搭建相关的电路,进行仿真:

为了更贴合产品的设计,layer2以400mil 的线来表征返回路径平面,仿真得到的波形如下:

仿真得到的波形,可以很直观地展现我们疑惑的问题。结论就是:信号的返回电流是瞬时的,不存在延迟。

返回路径的宽度

说完返回电流的问题,那就说说返回路径的问题。返回路径在以往的学习资料中都是以足够宽的平面来说明的,但是在实际的产品设计中,由于空间的限制,有些信号的返回路径没有足够大空间,换句话说,这个返回路径平面需要多宽来保证信号的返回电流?

在搭建相关仿真链路之前,这里先进行一个概念共识,这里的H是指信号离最近参考平面的介质高度,示意图如下:

以此,在高速类产品设计中,有近端参考和远端参考的概念。具体来说,就是信号有上下两个参考平面,如果两个参考平面的间距不一致,信号的回流以哪个平面为主?这个问题留在后面再讲,这里不做展开。

搭建相关仿真及仿真结果如下:

第一种情况:

第二种情况:

第三种情况:

第四种情况:

第五种情况:

以产品的实际设计中,常见的5H,7H,11H,15H和20H五种情况为例,进行相关的仿真,从仿真数据中,可以得出:当返回平面的宽度到达15H,本例为4 mil,也就是60 mil宽的时候,返回路径上的电荷密度就不会再增大了,这也就是说,这个宽度的平面就可以完全负载信号回流。

以此可以推出,信号的返回平面不是越宽越好,当宽到一定程度作用就不是很明显。这个和电源平面概念不一样,电源的平面有RLC的影响因素。

关于返回路径平面,还有一个需要注意的地方,就是信号线离参考平面边缘的距离,推荐20H,关于最小值,有的资料>3H,有的资料最少是5mil。

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