信號回流路徑的案例
PCB回流是什么? 高速信號回流路徑分析
如果這個“最近的電容”離始端或終端很遠的話，這個回流也要經過“長途跋涉”才能形成一個完整的回流通路，而這個通路也是相鄰信號的回流通路，這個相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的，等效為信號之間的串擾。
對于一些無法避免的跨電源分割的情況，可以在跨分割的地方跨接電容或RC串聯構成的高通濾波器(如10歐電阻串680p電容，具體的值要依自己的信號類型而定，即要提供高頻回流通路，又要隔離相互平面間的低頻串擾)。這樣可能會涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點滑稽，但肯定是有效的。如果一些規范上不允許的話，可以在分割處兩平面分別引電容到地。
對于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號兩端適當增加幾個小電容到地，提供一個回流通路。但這種做法往往難以實現。因為終端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據了。
回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經范圍。
03
回流路徑理論知識
下圖中是印制板中的一條線路，在導線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導線，從驅動端到接收端，實際上，電流總是在環路上才能流動，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，回路途徑變得難于估計，要對他們進行控制有一定的難度。
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2、回流的影響
數字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號回流選擇感抗最低的路徑。
當電流從信號的驅動器出發，流經信號線，注入信號的接收端，總有一個與之方向相反的返回電流：從負載的地引腳出發，經過敷銅平面，流向信號源，與流經信號線上的電流構成閉合回路。
這種流經敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當，信號頻率越高，噪聲頻率越高。
邏輯門不是對絕對的輸入信號響應，而是對輸入信號和參考引腳間的差異進行響應。單點終結的電路對引入信號和其邏輯地參考平面的差異做出反應，因此地參考平面上的擾動和信號路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對輸入引腳和指定的參考引腳進行響應，我們也不清楚到底哪個是所指定的參考引腳（對于TTL，通常是負電源；對于ECL通常是正電源，但是并不是全都如此），就這個性質而言，差分信號的抗干擾能力就能對地彈噪聲和電源平面滑動具有良好的效果。
當PCB板上的眾多數字信號同步進行切換時(如CPU的數據總線、地址總線等)，這就引起瞬態負載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會產生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會出現地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。
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如果不考慮過孔在敷銅平面上形成的孔、溝的影響，阻抗最小的路徑，也就是低頻電流的路徑，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖3.2。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關。
圖3.2 PCB敷銅平面上高頻電流路徑
對傳輸線來說，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號布線的正下方的敷銅平面上，如圖3.3。這樣的返回路徑使得整個回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號形成的環形天線向空間輻射的磁場強度（或接收空間輻射的能力）最小。
對于比較長、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號返回電流流經范圍是以信號布線為中心軸的帶狀區域，距離信號布線中心軸距離越遠，電流密度越小，
如圖3.3。這一關系近似滿足式3.3：
式3.3
圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖
根據式3.3，表3.1列出了流經以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區域內的返回電流占所有返回電流的百分比。
假設英寸，則經過距離傳輸線0.035英寸以外的區域返回的電流只占所有返回電流的13％，具體分到傳輸線的一側只有6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計。
小結：
當信號布線下方具有連續、致密、完整的敷銅平面時，信號返回電流對敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線局部化的原則，即人為地拉開數字信號線、數字器件與模擬信號線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數字信號返回電流對模擬電路的干擾。
高頻瞬態返回電流，經由與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅動端。驅動器信號走線的終端負載，跨接在信號走線和與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。
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01
回流的基本概念
數字電路的原理圖中，數字信號的傳播是從一個邏輯門向另一個邏輯門，信號通過導線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動的，許多數字工程師因此認為回路通路是不相關的。
畢竟，驅動器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢？
實際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運動。電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來。因此電流總是在環路中流動，電路中任意的信號都以一個閉合回路的形式存在。
對于高頻信號傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質電容充電的過程。
02
回流的影響
數字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號回流選擇感抗最低的路徑。
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高速信號添加回流地過孔到底有沒有用？
PCB工程師注意啦：通常pcb上的打過孔換層會引起鏡像平面的非連續性，這就會導致信號的最佳回流途徑被破壞。
我們都知道，信號打孔換層會改變信號的回流路徑，如果信號換層，回流路徑也跟著換層，但是在信號換層處過孔不能將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。
如下圖所示，描述了信號打孔換層的幾種情況：
a、信號線換層，回流路徑也從GND換到VCC上去了；
b、信號線換層，但參考面沒改變，回流路徑沒有換層；
c、信號線換層，回流路徑也換層，但只是從一個GND平面換到另一個平面；
a、c兩種情況如果不能在信號換層過孔處將信號回路連通起來，將引起信號回路面積增大，從而導致EMC問題。
針對以上換層引起的回路問題其解決方法如下：
a、需要在過孔附近放置旁路電容將VCC與GND連接起來，以給回路提供一個低阻抗通路；
b、建議高速信號線及時鐘線采用此種換層方式；
c、需在換層過孔附近放置地過孔將GND與GND連接起來，以給回路就近提供一個通道。
所以我們經常可以看到一些經驗豐富的PCB設計師在處理高速信號打孔換層的時候，在信號孔附近添加回流地孔，如下圖所示。
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1 回流的基本概念
數字電路的原理圖中，數字信號的傳播是從一個邏輯門向另一個邏輯門，信號通過導線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動的，許多數字工程師因此認為回路通路是不相關的，畢竟，驅動器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢！實際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環路中流動，電路中任意的信號都以一個閉合回路的形式存在。對于高頻信號傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質電容充電的過程。
2 回流的影響
數字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號回流選擇感抗最低的路徑。
當電流從信號的驅動器出發，流經信號線，注入信號的接收端，總有一個與之方向相反的返回電流：從負載的地引腳出發，經過敷銅平面，流向信號源，與流經信號線上的電流構成閉合回路。這種流經敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當，信號頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對絕對的輸入信號響應，而是對輸入信號和參考引腳間的差異進行響應。
展開 多層板如何分層？PCB如何設計才能發揮EMC最優效果？
PCB的EMC設計考慮中，首先涉及的便是層的設置;單板的層數由電源、地的層數和信號層數組成;在產品的EMC設計中，除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的PCB設計也是一個非常重要的因素。
PCB的EMC設計的關鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們設計的方向流動。而層的設計是PCB的基礎，如何做好PCB層設計才能讓PCB的EMC效果最優呢?
01
PCB層的設計思路
PCB疊層EMC規劃與設計思路的核心就是合理規劃信號回流路徑，盡可能減小信號從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對消或最小化。
單板鏡像層
鏡像層是PCB內部臨近信號層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)。主要有以下作用：
(1)降低回流噪聲：鏡像層可以為信號層回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統中有大電流流動時，鏡像層的作用更加明顯。
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而且作前仿真時，采用何種拓樸對工程師要求很高，要求對電路原理，信號類型，甚至布線難度等都要了解。
41、怎樣通過安排疊層來減少EMI問題？
首先，EMI要從系統考慮，單憑PCB無法解決問題。層迭對EMI來講，我認為主要是提供信號最短回流路徑，減小耦合面積，抑制差模干擾。另外地層與電源層緊耦合，適當比電源層外延，對抑制共模干擾有好處。
42、為何要鋪銅？
一般鋪銅有幾個方面原因：
一是，EMC。對于大面積的地或電源鋪銅，會起到屏蔽作用，有些特殊地，如PGND起到防護作用。
二是，PCB工藝要求。一般為了保證電鍍效果，或者層壓不變形，對于布線較少的PCB板層鋪銅。
三是，信號完整性要求，給高頻數字信號一個完整的回流路徑，并減少直流網絡的布線。當然還有散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等等原因。
43、在一個系統中，包含了dsp和pld，請問布線時要注意哪些問題呢？
看你的信號速率和布線長度的比值。如果信號在傳輸在線的時延和信號變化沿時間可比的話，就要考慮信號完整性問題。另外對于多個DSP，時鐘，數據信號走線拓普也會影響信號質量和時序，需要關注。
44、除protel工具布線外，還有其他好的工具嗎？
至于工具，除了PROTEL，還有很多布線工具，如MENTOR的WG2000，EN2000系列和powerpcb，Cadence的allegro，zuken 的cadstar，cr5000 等，各有所長。
45、什么是“信號回流路徑”？
信號回流路徑，即return current。高速數字信號在傳輸時，信號的流向是從驅動器沿PCB傳輸線到負載，再由負載沿著地或電源通過最短路徑返回驅動器端。這個在地或電源上的返回信號就稱信號回流路徑。
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45、什么是“信號回流路徑”？
信號回流路徑，即 return current。高速數字信號在傳輸時，信號的流向是從驅動器沿 PCB 傳輸線到負載，再由負載沿著地或電源通過最短路徑返回驅動器端。這個在地或電源上的返回信號就稱信號回流路徑。Dr.Johson 在他的書中解釋，高頻信號傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質電容充電的過程。SI 分析的就是這個圍場的電磁特性，以及他們之間的耦合。
46、如何對接插件進行 SI 分析？
在 IBIS3.2 規范中，有關于接插件模型的描述。一般使用 EBD 模型。如果是特殊板，如背板，需要SPICE 模型。也可以使用多板仿真軟件(HYPERLYNX 或 IS_multiboard)，建立多板系統時，輸入接插件的分布參數，一般從接插件手冊中得到。當然這種方式會不夠精確，但只要在可接受范圍內即可。
47、請問端接的方式有哪些？
端接(terminal)，也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯匹配，終端匹配一般為并聯匹配，方式比較多，有電阻上拉，電阻下拉，戴維南匹配，AC 匹配，肖特基二極管匹配。
48、采用端接(匹配)的方式是由什么因素決定的？
匹配采用方式一般由 BUFFER 特性，拓普情況，電平種類和判決方式來決定，也要考慮信號占空比，系統功耗等。
49、采用端接(匹配)的方式有什么規則？
數字電路最關鍵的是時序問題，加匹配的目的是改善信號質量，在判決時刻得到可以確定的信號。
展開 EMC常見問題整改的流程及經驗總結！（非常經典）
但實際上，這個20kHz僅代表PWM的脈沖周期是50us：
那么所謂的20kHz PWM在頻域上的頻率點落在哪里呢，如下公式：
對于階躍信號來說，由于上升時間tr無窮小，則頻率f無窮大。當頻率高了之后，寄生參數則不能在忽略，會引發很多諧振的問題。
從信號上來看，就是很陡峭的階躍信號會有過沖和振蕩的問題。簡單來說就是頻率f越大，則噪聲所占的頻率就會越寬泛，即EMC特性就會越差。
5、如何將原理圖和PCB對應起來
由于細分工種的問題，原理圖和PCB被割裂開來，由兩組人進行分工作業：
例如在原理圖上有如下的電路：
其隱含一個問題就是在PCB上其實V1的負極和C1的負極是有一條線（PCB layout工具軟件中用的詞比較準確，Trace，蹤跡/軌跡）。
往往在設計階段A->B->C是都會關注的。如果EMC出現問題，除了要在原理圖上查找電路參數的問題，還需要特別關注C->D，即回流路徑。
如果回流路徑不順暢，會造成信號的畸變：
比如在EMC試驗時，MCU的ADC采集到的信號被干擾到了，則除了在原理圖上分析外，在PCB上講該信號高亮出來，然后再耐心尋找該信號的回流路徑是否有不順暢的地方：
對著信號線頭腦中想象回流路徑，有點意識流的感覺。
6、總結
展開 【干貨分享】總結電路設計中零歐姆電阻的作用
跨接時用于電流回路
當分割電地平面后，造成信號最短回流路徑斷裂，此時，信號回路不得不繞道，形成很大的環路面積，電場和磁場的影響就變強了，容易干擾/被干擾。在分割區上跨接0歐電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。
配置電路
一般，產品上不要出現跳線和撥碼開關。有時用戶會亂動設置，易引起誤會，為了減少維護費用，應用0歐電阻代替跳線等焊在板子上。空置跳線在高頻時相當于天線，用貼片電阻效果好。
其他用途
布線時跨線，調試/測試用，臨時取代其他貼片器件，作為溫度補償器件，更多時候是出于EMC對策的需要。
另外，0歐姆電阻比過孔的寄生電感小，而且過孔還會影響地平面（因為要挖孔）。
還有就是不同尺寸0歐電阻允許通過電流不同，一般0603的1A，0805的2A，所以不同電流會選用不同尺寸的還有就是為磁珠、電感等預留位置時，得根據磁珠、電感的大小還做封裝，所以0603、0805等不同尺寸的都有了 。
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EMC常見問題整改的流程及經驗總結！（非常經典）
如果EMC出現問題，除了要在原理圖上查找電路參數的問題，還需要特別關注C->D，即回流路徑。
如果回流路徑不順暢，會造成信號的畸變：
比如在EMC試驗時，MCU的ADC采集到的信號被干擾到了，則除了在原理圖上分析外，在PCB上講該信號高亮出來，然后再耐心尋找該信號的回流路徑是否有不順暢的地方：
對著信號線頭腦中想象回流路徑，有點意識流的感覺。
6、總結
干貨｜6個和高速PCB相關的疑難問題
將數/模地分開的原因是因為數字電路在高低電位切換時會在電源和地產生噪聲，噪聲的大小跟信號的速度及電流大小有關。
如果地平面上不分割且由數字區域電路所產生的噪聲較大而模擬區域的電路又非常接近，則即使數模信號不交叉，模擬的信號依然會被地噪聲干擾。也就是說數模地不分割的方式只能在模擬電路區域距產生大噪聲的數字電路區域較遠時使用。
3、在高速PCB設計時，設計者應該從那些方面去考慮EMC、EMI的規則呢？
一般EMI/EMC設計時需要同時考慮輻射(radiated)與傳導(conducted)兩個方面。前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(<30MHz)。所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分。
一個好的EMI/EMC設計必須一開始布局時就要考慮到器件的位置，PCB疊層的安排，重要聯機的走法，器件的選擇等，如果這些沒有事前有較佳的安排，事后解決則會事倍功半，增加成本。
例如時鐘產生器的位置盡量不要靠近對外的連接器，高速信號盡量走內層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續以減少反射，器件所推的信號之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分，選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時注意其頻率響應是否符合需求以降低電源層噪聲。
另外，注意高頻信號電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。
展開 干貨｜6個和高速PCB相關的疑難問題
例如時鐘產生器的位置盡量不要靠近對外的連接器，高速信號盡量走內層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續以減少反射，器件所推的信號之斜率（slew rate）盡量小以減低高頻成分，選擇去耦合（decoupling/bypass）電容時注意其頻率響應是否符合需求以降低電源層噪聲。
另外，注意高頻信號電流之回流路徑使其回路面積盡量小（也就是回路阻抗loop impedance盡量小）以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。最后，適當的選擇PCB與外殼的接地點（chassis ground）。
4
在做PCB板的時候，為了減小干擾，地線是否應該構成閉和形式？
在做PCB板的時候，一般都要減小回路面積，以便減少干擾。布地線的時候，也不應布成閉合形式，而是布成樹枝狀較好，還有就是要盡可能增大地的面積。
展開 【知識分享】0歐電阻、電感、磁珠單點接地時有什么區別？
布線時，如果實在布不過去了，也可以加一個0歐的電阻
在高頻信號下，充當電感或電容用（與外部電路特性有關），主要是解決EMC問題。如地與地，電源和IC Pin間
單點接地（指保護接地、工作接地、直流接地在設備上相互分開,各自成為獨立系統。）
熔絲作用
跨接時用于電流回路
當分割電地平面后，造成信號最短回流路徑斷裂，此時，信號回路不得不繞道，形成很大的環路面積，電場和磁場的影響就變強了，容易干擾/被干擾。在分割區上跨接0歐電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。
配置電路
一般，產品上不要出現跳線和撥碼開關。有時用戶會亂動設置，易引起誤會，為了減少維護費用，應用0歐電阻代替跳線等焊在板子上。空置跳線在高頻時相當于天線，用貼片電阻效果好。
其他用途
布線時跨線、調試/測試用、臨時取代其他貼片器件、作為溫度補償器件，更多時候是出于EMC對策的需要。
另外，0歐姆電阻比過孔的寄生電感小，而且過孔還會影響地平面（因為要挖孔），還有就是不同尺寸0歐電阻允許通過電流不同，一般0603的1A，0805 的2A，所以不同電流會選用不同尺寸的。
還有就是為磁珠、電感等預留位置時，得根據磁珠、電感的大小還做封裝，所以0603、0805等不同尺寸的都有了。
附：1歐姆電阻的作用
1歐姆電阻在電路中經常是用來測試的，比如：需要測一個電路中的電流時，我們可以在該電路中串一個1歐姆電阻，測量其兩端的電壓即是該電路的電流(I=U/R，因為R=1，所以測出的電壓值即是電流值)。
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