前面的章節我們知道了傳輸線的阻抗不連續會發生反射，并且了解了阻抗匹配抑制反射的方法。而且也知道傳輸線并不僅僅是一條線而是包含了信號路徑和返回路徑。信號不只是在信號路徑中傳輸，需要參考平面提供電流返回路徑才能完成從驅動到負載之間的傳輸。因此，研究傳輸線、設計好PCB、解決SI問題不能只關注信號路徑，同樣需要處理好信號的返回路徑。而很多人在設計的時候往往會只關注信號路徑而忽視了返回路徑。這一節介紹一下返回路徑處理不好會有什么影響。

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返回路徑不連續的影響

當高速信號線跨過電源或地平面上的開槽時信號的返回路徑被打斷，信號的返回路徑被迫繞過該區域，從而使環路電感增大。如下所示：

（a）返回路徑連續的理想傳輸線

（b）返回路徑不連續的傳輸線

上圖（a）所示為返回路徑連續的理想傳輸線，其阻抗連續一直為50ohm；（b）圖中的信號路徑與（a）相同，可能由于信號線更換參考平面、跨過參考平面的開槽等原因導致信號返回電流的環路增大，從而使中間這段傳輸線的阻抗增加到了75ohm。這一點我們可以通過HFSS等3D場仿真軟件進行驗證：

使用HFSS建立微帶線模型，微帶線長度為1000mil，按照50ohm進行阻抗設計。在傳輸線的中間有一個50mil寬度的開槽。模型如下所示：

通過仿真得到傳輸線的阻抗在開槽處明顯偏離了50ohm達到了81ohm左右。這就足以說明參考平面不連續會帶來傳輸線阻抗突變，想要抑制阻抗突變獲得連續的阻抗除了處理好信號路徑外還需要保證返回路徑的連續性。

下面我們通過幾個例子來說明信號是如何在驅動器和接收器件之間傳輸的，從而論證返回路徑的影響。

讓我們分析一下信號返回路徑的三種情況：

（1）信號返回路徑是GND平面；

（2）信號返回路徑為GND和電源平面；

（3）打孔換層導致信號返回路徑的變更。

下面詳細分析這三種情況會帶來什么樣的影響，進而可以得出一些PCB設計的規則。

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返回路徑不同情況分析

1、信號返回路徑是GND平面

信號的返回路徑是GND平面也分為微帶線和帶裝線兩種情況。下面以微帶線的情況進行討論：

由于是微帶線信號只有下方的GND平面一個參考平面，這個時候所有返回電流都是通過ground平面回流。在信號的下降沿返回電流通過GND平面回到驅動器的GND管腳。在信號的上升沿25mA的返回電流除了經過ground平面還需要流過PCB或者封裝內部的高頻去藕電容或者on die decap才能回到電源管腳完成整個電流回路。此時對信號傳輸起決定作用的有兩個因素：（1）ground平面的環路電感，如果存在密集過孔打斷ground平面、IC管腳的fanout以及去耦電容的Fanout處理的不好都會增加整個環路的電感；（2）高頻濾波電容必須靠近電源管腳放置以減小回路電感，芯片內部需要有足夠的on die decap。

2、返回路徑分別是電源、地平面的帶狀線

如上圖所示，帶裝線的情況信號的參考平面有兩個，一個是電源平面、一個是GND平面。電源平面可能是信號線的IO電源，也可能是其它電源。

1、電源平面恰好是信號線的IO電源

這種層疊最好，無論是信號的上升還是下降沿分布到電源地上的電流都是均衡的，且流過去耦電容的電流為驅動電流的一半。但是實際的設計中很難做到這種層疊，我們一般所使用的層疊都是保證信號有一個完整的gnd作為參考，另一個參考層可能是信號的供電電源，也可能是其它電源。但對于高速信號而言盡量參考地平面，不能參考參考大電流、高噪聲的電源平面。

2、電源平面和信號IO電源不同

此種情況會導致信號的回流路徑更長，需要額外經過一個電源。如果驅動端沒有相應電源的濾波電容，信號的回流路徑將不可預測。如下所示驅動器輸出一個2.5V的信號，其參考的平面為3.3V電源平面。電源地平面到信號線的距離相差不多的情況下，大概有一半回流信號需要經過電源平面回流，但這部分回流最終還是要回到驅動器內部的2.5V電源完成最終的電流回路。此時就需要借助驅動器端的3.3V濾波電容，如果沒有合適的電容也可以依靠3.3V電源平面和地平面之間的平面電容完成回流，但是無論怎樣都會增大整個電流回路的電感，而且電容是具有頻率選擇特性的

以上幾種情況都是基于信號線有一個連續完成的參考平面。當信號線跨分割、通過過孔更換參考平面的情況就更加復雜。

跨分割情況的帶狀線：

信號線由電源平面跨到GND平面。信號在參考gnd的時候環路的阻抗更小。

有時候我們為了保證信號鏈路“表面上不跨分割”，而把電源平面鋪的很大，而有些區域又沒有濾波電容提供高頻信號的回路，這些區域是不能為信號提供一個低阻抗的回流的。

從EMC的角度來說，電源平面如果存在很大無電容的區域的話，電源、地平面作為一個諧振腔會產生諧振。

3、過孔換層導致信號返回路徑的變更

在PCB和封裝設計過程中，不可避免都會出現打孔換層的情況。打孔換層產生的影響主要有以下兩個方面：

（1）參考平面的變更，導致信號回流路徑變更；

（1）即使打孔前后參考的平面沒有變更，由于孔壁和平面層之間存在電容，會 有一部分返回電流路徑不可預期。這個寄生電容非常小，但在高速serdes設計中也不可忽視。

高速信號設計中往往會去除過孔上的非功能焊盤，減小其和其它平面之間的耦合，進而減小去耦電容。

注意事項：

（1）打孔換層最好在同一個參考平面上下兩層進行換層（不更換參考平面）。

（2）兩個走線層都有gnd平面做參考，在換層過孔處增加gnd過孔，使回流路徑連續。

過孔反焊盤的處理涉及到阻抗和串擾的平衡。

BGA區域（過孔密集）反焊盤過大會使信號的返回路徑不連續，也會使串擾增加。反焊盤太小會使信號過孔處的阻抗變小，造成阻抗的不連續。

設計時需要平衡反焊盤的大小對阻抗和返回路徑的影響。

對于1mmBGA的差分布線，在BGA內部規則為4mil線寬/4mil間距，BGA外部規則為4.5mil線寬/8.5mil間距。

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返回路徑設計總結

返回路徑的不連續會對信號完整性產生影響。設計中需要注意以下幾點：

（1）信號線盡量避免跨分割，導致參考平面不連續影響信號完整性。

（2）即使信號的返回路徑一直為GND平面，也需要注意GND平面的完整性，不要被密集的過孔打斷；

（3）通常并行總線，當采用帶狀線布線時，兩個參考平面中保證主參考平面是GND平面，允許另一個參考平面是其自身的IO電源。

（4）當信號線參考的電源平面不是自身IO電源時，信號的回流情況比較復雜。因此，高速Serdes信號最好不要參考電源平面。

（5）過孔換層情況會導致信號參考平面的變更。BGA內部的過孔尺寸以及反焊盤尺寸的設計需要綜合考慮布線串擾和阻抗變化的影響。