一、寫在前面

我們在學習信號完整性的時候，經常聽到“回流”這個概念，我相信很多人是沒有深刻理解“回流”這個概念的，但是當你真正理解了回流之后，你就能理解很多高速的原理和現象，理解回流是學好信號完整性的前提。

那么到底什么是回流呢？回流又是如何影響信號完整性的呢？請看下面這個實例。

微帶線的回流分布

二、回流的實例

首先觀察一個現象，如下圖所示，為一個典型的4層板結構，信號從第一層經過孔換到第4層，相應的參考平面從第2層切換到第3層。這是我們在Layout設計的時候經常遇到的情況。

4層板層疊結構

我們首先來看S參數，隨著頻率的升高，回波損耗S11變的越來越差，尤其在10GHz以后達到了-16.2dB，已經小于-20dB的要求。

當信號過孔旁邊增加伴隨地孔以后，其S11在10GHz達到了-28.3dB，這表明高速性能變好了。

這就是為什么很多的高速電PCB設計規則里面要求的，“高速信號換層時需要打伴隨地孔”的原因。

那么作為一個對技術有追求的工程師來說，不能到這里就結束了，一定要多問幾個為什么。為什么增加了地孔以后，高頻處的性能會變好呢？

既然S11反應的是信號的阻抗特性，那就意味著在沒有增加伴隨地孔地時候，高頻處的阻抗特性變差，而增加了伴隨地孔以后，阻抗特性變好了，那么這是為什么？今天我們從回流的角度給大家解釋阻抗特性。

1和2、3和4之間形成傳輸線模型，其返回電流仍然滿足微帶線的回流特征，我們重點關注2和3之間返回電流分布。沒有伴隨地孔時，層2的下表面以及層3的上表面，其電流密度分布如下圖所示：

F=3.3GHz

F=10GHz

從圖中可以看出，地平面上的回流在3.3GHz時主要分布于過孔周圍的一個很小區域內，而在10GHz時，地平面上的回流不僅分布于過孔周圍，還進一步延展到了更遠處，這意味著回流走的路徑更長。

當在信號孔旁邊增加2個伴隨地孔以后，參考層上的電流密度分布如下圖所示：

F=3.3GHz

F=10GHz

從圖中可以看出，在3.3GHz和10GHz時，電流密度集中分布于信號過孔與伴隨過孔之間，不再像外擴散，這就改變了回流的路徑，使得在高頻處，回流路徑變短，路徑上的寄生電感變小了。此時伴隨地孔的作用就是給參考平面切換的時候，提供了一個最短的回流路徑。這也是為什么伴隨地孔有時候又叫回流過孔的原因。

為了更進一步理解以上回流的分布，下面我們再從等效單路角度做一次剖析。如下圖所示，為信號換層時，參考平面上的回流流動方向。

從圖中可以看出，對于1-2層來說，返回電流的流動除了在參考平面2的上表面流動以外，在下表面同樣存在一小部分電流的流動；同樣，對于3-4層來說，返回電流的流動除了在參考平面3的下表面流動以外，在上表面同樣存在一小部分電流的流動；這跟單純的微帶線回流是不太一樣的，這種不一樣就是由過孔換層導致的。

2-3之間的電流是通過2和3之間的平面所形成的平板電容流動的。我們知道，在兩個平面的重疊面積之間都會形成平板電容，所以2-3的內層之間形成很多寄生電容效應，當信號的參考層切換時，返回電流會沿著平面的距離擴散開，到底擴散到什么位置，這除了跟板子的層疊結構相關，還與信號的頻率相關，從上圖的仿真看出，頻率越高，擴散的越開，這也是高頻信號總是要走阻抗最低路徑的體現。

當增加了伴隨地孔以后，2和3之間的電流流動就可以直接通過這個過孔返回，不需要再通過物理結構形成的平板電容返回，返回電流不再沿著平面進一步擴散，這就控制了回流的路徑了，使得即使在高頻，返回電流也能以最短路徑返回，從而對阻抗不造成影響（以下是我系列課部分內容）。

可以這么說，學好信號完整性最關鍵的是理解回流，理解了回流，你就拿到了信號完整性入門的鑰匙，如果大家想進一步理解回流和其他信號完整性相關的內容，請關注我的視頻課程，在我的課程里會有更加詳細的講解。