對于一個電子愛好者來說，在PCB設(shè)計中，參考平面的問題經(jīng)常讓很多人感到困惑。眾所周知，電源平面可以作為參考平面，常見的6層板一般都采用電源層作為DDR信號的參考平面。但是，高速、RF射頻信號是否同樣可以采用電源層作為參考平面呢？今天我們就來一起探討一下。

關(guān)于參考平面

什么是參考平面？ 顧名思義，就是一個平面。如何理解這個平面，首先要了解傳輸線的概念。我們都知道，必須使用傳輸線來分析PCB上的信號傳輸來解釋高速電路中的各種現(xiàn)象。最簡單的傳輸線包括：信號路徑和參考路徑（也稱返回路徑）。信號在傳輸線以電磁波的形式傳輸，信號路徑及參考路徑構(gòu)成了電磁波的傳輸環(huán)境；從電流回路的角度講，信號路徑承載信號電流，參考路徑承載返回電流，因此參考路徑也稱返回路徑。

就PCB上層走線而言，走線和下面的平面層構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，信號路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對于PCB上這一特殊結(jié)構(gòu)，參考路徑是以平面的形式出現(xiàn)的，所以也叫參考平面。這里和走線下面的平面是什么網(wǎng)絡(luò)屬性都無所謂，VCC、GND、設(shè)置是沒有網(wǎng)絡(luò)的孤立銅皮也可以，關(guān)鍵在于下面的平面是導(dǎo)體這就行了。 下圖是表層走線的場分布和電流分布：

以內(nèi)層走線來說，走線、上方平面、下方平面構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境，所以上下兩個平面都是信號的參考路徑，也就是參考平面。下圖顯示了內(nèi)層走線的場分布和電流分布圖：

從圖中能夠清楚看到，如果兩個平面的與走線的距離近似相等，那么兩個返回電路也近似相等，此時兩個平面同樣重要，這樣就不難理解內(nèi)層走線的上下兩個平面都是參考平面了。

參考平面兩個點：算阻抗和提供回流路徑，所以如果只是單純滿足阻抗一致的要求，無論是GND平面還是電源平面都可以的。但是一般情況下，參考平面主要是作為電流返回的路徑，所以就有了以下問題。

1、信號是如何參考電源平面的？

上文已分析了電源層也可以作為參考平面算阻抗，那么下面將從電流返回路徑上分析。 以一個簡單的4層PCB為例，信號通過過孔換層參考電源，其信號的回流路徑如下：

當(dāng)高速信號在信號線上傳播時，在信號向前傳播的過程中，由于參考平面之間會存在容性耦合，當(dāng)發(fā)生dV/dt時，就會出現(xiàn)電流經(jīng)耦合電容流向參考平面的現(xiàn)象，傳輸線下方位置就會有瞬態(tài)電流流回到源端電路。 當(dāng)電源層作為參考平面時，信號回流會先流向電源層，再通過電源與地網(wǎng)絡(luò)之間的Cpg流向地網(wǎng)絡(luò)，最后在經(jīng)過地層流向源端電路，最終形成一個完整的電源回路。控制好高速信號的回路阻抗非常關(guān)鍵，因為它直接影響到信號傳輸特性。

2、高速信號能否參考電源層？

理論上和地平面一樣，電源信號層也可以應(yīng)用于低阻抗的信號返回路徑。假設(shè)有足夠多的旁路電容，那么電源平面?zhèn)鬏敃偷孛嬉粯雍茫谝粋€電源面和地平面或者兩個電源平面帶狀傳輸線也可以工作。

但是，當(dāng)信號參考電源層時，回流路徑當(dāng)中對信號影響最大的就是Cpg電源與地網(wǎng)絡(luò)之間的容性通道。它可能是電源地網(wǎng)絡(luò)上分布復(fù)雜的退耦電容，也可能包含電源地層平面之間的平板電容，由于構(gòu)成復(fù)雜，在各頻點所表現(xiàn)出來的阻抗特性都不一樣，難以量化與控制，所以這個假設(shè)很難成立。 即使電源層離信號層更近，返回信號也會經(jīng)電源層返回到地層，因為信號輸入時是以地層為參考層的。

但是如果去耦做的不好，電源層與地層之間的阻抗會很大，那么返回信號會受到很大的阻抗。 信號參考電源層會給信號質(zhì)量帶來影響，電源地層之間的阻抗是影響的主要因素，信號頻率越高，帶來的影響會越明顯。當(dāng)然，也不是所有信號都不能參考電源，具體多少頻率，什么信號可以參考電源，要看實際PCB設(shè)計以及PDN網(wǎng)絡(luò)的實際情況，最好利用仿真軟件進(jìn)行分析驗證。

有些信號設(shè)計指定要求參考它本身的電源層，這又是為什么？ 這是由于芯片內(nèi)部信號參考的是電源，那么在PCB上參考電源比較好。但是大多數(shù)芯片在設(shè)計中高速信號都是參考地，所以在大多數(shù)高速信號設(shè)計指導(dǎo)中都推薦參考地，雖然在高頻帶電源去耦電容顯示低阻抗特性，電源與地表現(xiàn)為等電位，但由與去耦電容位置擺放的問題可能會增大信號的回流面積，從而影響信號質(zhì)量，所以對于多數(shù)高速信號，參考地位以較好。 在此建議：高速信號建議參考地平面，至少有一個完整的地平面；另外電源平面需要與地平面緊耦合，既緊緊挨在一起。

3、RF射頻信號能否參考電源層？

高速信號能否參考電源信號的理論也能解釋RF射頻信號能否參考電源層的問題，從返回路徑來看，RF射頻信號更加不合適參考電源層。理由是電源層與地層之間的阻抗和耦合不好就會對RF信號產(chǎn)生很大的影響。要知道，電源層并非真正的地，從EMI角度也不推薦電源層作為微帶線的地，信號返回的路徑可能會變得很長而受到干擾。 其次，電源、地平面均能作為參考平面，且有一定的屏蔽作用，但相對而言，電源平面具有較高的特征阻抗，與參考電平存在較大的電位勢差。從屏蔽的角度而言，地平面一般都做了接地處理，并作為基本電平參考點，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面。