返回路径处理不好会对信号完整性有什么影响？

前面的章节我们知道了传输线的阻抗不连续会发生反射，并且了解了阻抗匹配抑制反射的方法。而且也知道传输线并不仅仅是一条线而是包含了信号路径和返回路径。信号不只是在信号路径中传输，需要参考平面提供电流返回路径才能完成从驱动到负载之间的传输。因此，研究传输线、设计好PCB、解决SI问题不能只关注信号路径，同样需要处理好信号的返回路径。而很多人在设计的时候往往会只关注信号路径而忽视了返回路径。这一节介绍一下返回路径处理不好会有什么影响。

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返回路径不连续的影响

当高速信号线跨过电源或地平面上的开槽时信号的返回路径被打断，信号的返回路径被迫绕过该区域，从而使环路电感增大。如下所示：

（a）返回路径连续的理想传输线

（b）返回路径不连续的传输线

上图（a）所示为返回路径连续的理想传输线，其阻抗连续一直为50ohm；（b）图中的信号路径与（a）相同，可能由于信号线更换参考平面、跨过参考平面的开槽等原因导致信号返回电流的环路增大，从而使中间这段传输线的阻抗增加到了75ohm。这一点我们可以通过HFSS等3D场仿真软件进行验证：

使用HFSS建立微带线模型，微带线长度为1000mil，按照50ohm进行阻抗设计。在传输线的中间有一个50mil宽度的开槽。模型如下所示：

通过仿真得到传输线的阻抗在开槽处明显偏离了50ohm达到了81ohm左右。这就足以说明参考平面不连续会带来传输线阻抗突变，想要抑制阻抗突变获得连续的阻抗除了处理好信号路径外还需要保证返回路径的连续性。

下面我们通过几个例子来说明信号是如何在驱动器和接收器件之间传输的，从而论证返回路径的影响。

让我们分析一下信号返回路径的三种情况：

（1）信号返回路径是GND平面；

（2）信号返回路径为GND和电源平面；

（3）打孔换层导致信号返回路径的变更。

下面详细分析这三种情况会带来什么样的影响，进而可以得出一些PCB设计的规则。

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返回路径不同情况分析

1、信号返回路径是GND平面

信号的返回路径是GND平面也分为微带线和带装线两种情况。下面以微带线的情况进行讨论：

由于是微带线信号只有下方的GND平面一个参考平面，这个时候所有返回电流都是通过ground平面回流。在信号的下降沿返回电流通过GND平面回到驱动器的GND管脚。在信号的上升沿25mA的返回电流除了经过ground平面还需要流过PCB或者封装内部的高频去藕电容或者on die decap才能回到电源管脚完成整个电流回路。此时对信号传输起决定作用的有两个因素：（1）ground平面的环路电感，如果存在密集过孔打断ground平面、IC管脚的fanout以及去耦电容的Fanout处理的不好都会增加整个环路的电感；（2）高频滤波电容必须靠近电源管脚放置以减小回路电感，芯片内部需要有足够的on die decap。

2、返回路径分别是电源、地平面的带状线

如上图所示，带装线的情况信号的参考平面有两个，一个是电源平面、一个是GND平面。电源平面可能是信号线的IO电源，也可能是其它电源。

1、电源平面恰好是信号线的IO电源

这种层叠最好，无论是信号的上升还是下降沿分布到电源地上的电流都是均衡的，且流过去耦电容的电流为驱动电流的一半。但是实际的设计中很难做到这种层叠，我们一般所使用的层叠都是保证信号有一个完整的gnd作为参考，另一个参考层可能是信号的供电电源，也可能是其它电源。但对于高速信号而言尽量参考地平面，不能参考参考大电流、高噪声的电源平面。

2、电源平面和信号IO电源不同

此种情况会导致信号的回流路径更长，需要额外经过一个电源。如果驱动端没有相应电源的滤波电容，信号的回流路径将不可预测。如下所示驱动器输出一个2.5V的信号，其参考的平面为3.3V电源平面。电源地平面到信号线的距离相差不多的情况下，大概有一半回流信号需要经过电源平面回流，但这部分回流最终还是要回到驱动器内部的2.5V电源完成最终的电流回路。此时就需要借助驱动器端的3.3V滤波电容，如果没有合适的电容也可以依靠3.3V电源平面和地平面之间的平面电容完成回流，但是无论怎样都会增大整个电流回路的电感，而且电容是具有频率选择特性的

以上几种情况都是基于信号线有一个连续完成的参考平面。当信号线跨分割、通过过孔更换参考平面的情况就更加复杂。

跨分割情况的带状线：

信号线由电源平面跨到GND平面。信号在参考gnd的时候环路的阻抗更小。

有时候我们为了保证信号链路“表面上不跨分割”，而把电源平面铺的很大，而有些区域又没有滤波电容提供高频信号的回路，这些区域是不能为信号提供一个低阻抗的回流的。

从EMC的角度来说，电源平面如果存在很大无电容的区域的话，电源、地平面作为一个谐振腔会产生谐振。

3、过孔换层导致信号返回路径的变更

在PCB和封装设计过程中，不可避免都会出现打孔换层的情况。打孔换层产生的影响主要有以下两个方面：

（1）参考平面的变更，导致信号回流路径变更；

（1）即使打孔前后参考的平面没有变更，由于孔壁和平面层之间存在电容，会 有一部分返回电流路径不可预期。这个寄生电容非常小，但在高速serdes设计中也不可忽视。

高速信号设计中往往会去除过孔上的非功能焊盘，减小其和其它平面之间的耦合，进而减小去耦电容。

注意事项：

（1）打孔换层最好在同一个参考平面上下两层进行换层（不更换参考平面）。

（2）两个走线层都有gnd平面做参考，在换层过孔处增加gnd过孔，使回流路径连续。

过孔反焊盘的处理涉及到阻抗和串扰的平衡。

BGA区域（过孔密集）反焊盘过大会使信号的返回路径不连续，也会使串扰增加。反焊盘太小会使信号过孔处的阻抗变小，造成阻抗的不连续。

设计时需要平衡反焊盘的大小对阻抗和返回路径的影响。

对于1mmBGA的差分布线，在BGA内部规则为4mil线宽/4mil间距，BGA外部规则为4.5mil线宽/8.5mil间距。

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返回路径设计总结

返回路径的不连续会对信号完整性产生影响。设计中需要注意以下几点：

（1）信号线尽量避免跨分割，导致参考平面不连续影响信号完整性。

（2）即使信号的返回路径一直为GND平面，也需要注意GND平面的完整性，不要被密集的过孔打断；

（3）通常并行总线，当采用带状线布线时，两个参考平面中保证主参考平面是GND平面，允许另一个参考平面是其自身的IO电源。

（4）当信号线参考的电源平面不是自身IO电源时，信号的回流情况比较复杂。因此，高速Serdes信号最好不要参考电源平面。

（5）过孔换层情况会导致信号参考平面的变更。BGA内部的过孔尺寸以及反焊盘尺寸的设计需要综合考虑布线串扰和阻抗变化的影响。