高速信号参考GND平面和VCC平面,会带来不同的回路阻抗,影响信号质量

本文探讨了参考平面在信号传输中的重要性,尤其是GND作为参考平面时,如何提供回流路径并影响信号的阻抗。通过仿真展示了不同参考平面(如非GND平面)如何增加回路电感和信号阻抗,强调高速信号中参考平面选择的重要性,并通过S参数和眼图进一步验证了这一概念。

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1.1参考平面作用

参考平面的作用之一是就是给信号提供回流路径,对于信号来说,不管任何网络的铜平面都可以作为参考平面。
选择GND作为参考平面与其他网络的区别在于,使用其他网络提供回流路径时,网络上的返回电流,
最终还要再耦合到GND平面,才能构成一个闭合环路。电流不管流向何处,最终都会返回到源端,形成一个闭合的回路。
下图为参考平面为GND情况,信号电流经过传输线与平面构成的电容流到返回平面上。

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下图为不是GND参考平面情况,1层是信号层,3层才是GND情况。信号电流要先耦合到第二层,在耦合到GND平面,
增加了返回路径,回路电感增加,信号感受到的阻抗也会增加。

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1,2 仿真验证

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参考平面不同,带来回路阻抗也不相同。具体表现在S参数上。
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通过通道仿真更直观表现出来。
仿真1G信号的眼图

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仿真5G信号的眼图,速度的提高,参考平面的回路阻抗需要引起注意。
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### 计算PCB信号线的特性阻抗 #### 特性阻抗的概念 特性阻抗是衡量传输线上电压与电流比率的一个参数,对于确保信号完整性至关重要。当负载阻抗等于传输线的特征阻抗时,可以实现无反射的能量传递,从而优化信号质量[^3]。 #### 微带线特性阻抗计算公式 对于微带线结构,其特性阻抗 \( Z_0 \) 可通过以下经验公式估算: \[ Z_0 = \frac{87}{\sqrt{\varepsilon_r + 1.41}} \cdot \ln \left( \frac{5.98h}{0.8w + t} \right) \] 其中: - \( w \) 是导体宽度 (单位:mil 或 mm) - \( h \) 是介质厚度 (单位:mil 或 mm),即从铜箔表面到参考平面的距离 - \( t \) 是铜箔厚度 (单位:mil 或 mm) - \( \varepsilon_r \) 是介电常数 (Dielectric Constant) 此公式的适用条件为:\( W/H < 3.48 \), 并且假设介质材料均匀分布于整个区域[^1]。 #### 使用工具进行精确计算 为了更精准地获得实际应用中的特性阻抗数值,通常会借助专门软件如 Polar SI9000 进行仿真分析。这类工具有助于考虑更多复杂因素的影响,比如不同层叠构型下的电磁场效应以及制造工艺带来的尺寸变化等因素。 ```python import math def calculate_microstrip_impedance(w, h, t, epsilon_r): """ Calculate the characteristic impedance of a microstrip line. Parameters: w : float - width of conductor in mil or mm h : float - dielectric height between trace and ground plane in mil or mm t : float - copper thickness in mil or mm epsilon_r : float - relative permittivity of substrate material Returns: float - calculated characteristic impedance value """ z0 = (87 / math.sqrt(epsilon_r + 1.41)) * math.log((5.98*h)/(0.8*w+t)) return round(z0, 2) # Example usage with typical values for FR4 PCB material at 1 oz Cu weight width_mil = 10 # Width in mils height_mil = 62 # Height from top layer to GND/VCC plane in mils thickness_mil = 1.4 # Copper foil thickness corresponding to ~1oz/sq ft in mils dielectric_const = 4.4 # Typical εr for FR4 laminate print(f"The estimated characteristic impedance is {calculate_microstrip_impedance(width_mil, height_mil, thickness_mil, dielectric_const)} Ohms.") ```
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