深亞電子帶大家一起了解什么是參考平面？以及PCB的參考平面理解

1、什么是參考平面？

信號傳輸需要兩個(gè)基本要素：信號路徑和參考路徑（返回路徑），也就是說所有的信號傳輸均需要返回路徑。如果只有信號路徑而沒有返回路徑，就無法構(gòu)成信號的傳輸。參考平面提供信號返回路徑，對信號的質(zhì)量有很大影響。

例如：電源，如果只有正極而不接負(fù)極，無法供電；電磁波也不存在只有N而沒有S極。信號的傳輸是一種電磁波，也是電流傳輸。

2、信號傳輸原理

信號回流路徑最終都是回流到GND，但是POWER也可以作為參考平面，解釋有兩種：

1、對于交流信號而言，POWER就相當(dāng)于GND，在小信號通路中，直流電源均看成是GND，為什么？因?yàn)镻OWER與GND之間有大電容，對于交流信號，形成了低阻抗的通路。                                                                                                                                         

2、POWER與GND之間有耦合電容，形成了通路，所以在設(shè)計(jì)中，對于高頻信號，換層時(shí)增加回流過孔，減少回流路徑。另外也需要主要，如果參考平面為POWER，其之間的耦合耦合           

 電容越大越好。這也解釋為什么GND平面與POWER平面越近越好，因?yàn)樵黾玉詈想娙?，提供低阻抗通路?/p>

綜上，參考平面最好在同一層，如果不在同一層，那最好是同一屬性的參考平面。

 如上圖，返回路徑中如果沒有那個(gè)隔離間隙，返回路徑是連續(xù)阻抗是一致的；但是有那個(gè)隔離間隙，導(dǎo)致返回路徑的阻抗不連續(xù)。在B段，返回路徑與驅(qū)動路徑之間阻抗將相對A段而增大，從而造成信號路徑上阻抗不連續(xù)。阻抗不連續(xù)將造成信號電平的突變、反射，而這種

突變又會帶來信號完整性、EMI等各方面的問題。

除阻抗不連續(xù)外，B段存在的另一個(gè)問題是信號返回路徑上的串?dāng)_，由于間隙的存在，許多驅(qū)動路徑與上圖信號平行的其他信號，返回時(shí)阻抗最小的路徑都是B段，使B段成為串?dāng)_的集中點(diǎn)，同樣不利于信號完整性。

以上有兩個(gè)問題，第一個(gè)是阻抗不匹配導(dǎo)致信號衰減突變反射問題，這部分可能就發(fā)射到空間里面去，造成EMI問題。另外一個(gè)是就是串?dāng)_，什么意思？互相之間信號影響，EMI導(dǎo)致的互相干擾問題。

3、差分對信號是否需要參考平面？

對于差分對信號，對內(nèi)兩信號互為對方提供返回路徑，因此差分對內(nèi)兩信號之間的耦合非常重要。既然如此，是否可以說差分對與附近參考平面之間無需耦合？答案是否定的，受限于器件工藝、PCB走線等因素，對內(nèi)兩信號無法實(shí)現(xiàn)完全的對稱，不可避免地存在共模分

量，這部分共模分量需要通過參考平面實(shí)現(xiàn)回流，因此，對于差分對信號而言，與參考平面地緊耦合也同樣重要。

4、參考平面的確定

從參考平面的定義來看，誰提供回流通路或說提供返回路徑，誰就是參考平面。所以一個(gè)信號可能存在多個(gè)參考平面，只是說誰提供的路徑比重大小問題，

走線、上方平面、下方平面3者共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，所以上下兩個(gè)平面都是信號的參考路徑，也就是參考平面，從下面的場分布圖中可以很清楚的看到物理環(huán)境和場分布的關(guān)系。從構(gòu)成電流回路的角度來看，下圖的電流分布圖也很清晰的顯示出返回電流的分

布，如果兩個(gè)平面和走線之間的間距近似相等，那么兩個(gè)平面上的返回電流也近似相等，此時(shí)，兩個(gè)平面同樣重要。從這個(gè)角度也能很好的理解兩個(gè)平面都是參考平面。

理解參考平面的最直接的方法就是“構(gòu)成電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境”。

5、幾點(diǎn)注意

信號換層有以下要點(diǎn)需要注意：
要點(diǎn)一：
信號換層時(shí)，最好不要改變參考層。如上述例子中，若信號的換層是從信號層1換到信號層2，參考層都是地層1，在這種情況下，返回路徑無需換層，即信號換層對返回路徑無影響，這是最佳的換層方案。
要點(diǎn)二：
信號換層時(shí)，最好不改變參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性。相同網(wǎng)絡(luò)屬性可利用附近的過孔實(shí)現(xiàn)返回路徑的通路，雖然這個(gè)過程發(fā)生了阻抗的變化，但由于過孔的尺寸較小，容性、感性寄生成分較低，過孔本身產(chǎn)生的阻抗變化可忽略，因此其對返回路徑的影響不大。
而如果參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性發(fā)生了改變（比如從電源層換到GND層），返回路徑只能借助平面耦合電容或單板上的電源耦合電容，且兩參考層之間存在層間阻抗，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，該阻抗不能被忽略，因此，在返回路徑通過時(shí)，不可避免地產(chǎn)生了一定地壓降，信號發(fā)生畸變。
要點(diǎn)三：
信號換層時(shí)，最好在信號過孔附近增加一個(gè)與參考層同屬性地過孔（換層前后參考層同一網(wǎng)絡(luò)屬性）。一般要求該過孔與信號換層的過孔距離在50mil之內(nèi)
要點(diǎn)四：
若換層前后，兩參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性不同，則要求兩參考層相距較近，以減少層間阻抗和返回路徑上的壓降。
要點(diǎn)五：
當(dāng)換層的信號較密集時(shí)，附加的地或電源過孔之間應(yīng)保持一定距離。當(dāng)換層信號很多時(shí)，一個(gè)地或電源過孔時(shí)不夠的，需多打幾個(gè)過孔，若這些過孔相鄰較近，則信號回路上會產(chǎn)生串?dāng)_，返回路徑上的串?dāng)_和驅(qū)動路徑上的串?dāng)_對信號完整性的影響是相同的。

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