信号完整性与PCB设计（二）：耦合原理与回流路径

信号完整性与PCB设计（二）

2014-04-227856

何处不江南

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本文探讨了信号完整性与PCB设计中的信号耦合原理。电流从一条走线上流过会在其周围产生电磁场，该电磁场会以系数K耦合到走线周围的导线。耦合系数K取决于电流变化的快慢和线与线之间的距离。这种耦合增强了电流，减小了信号回流的阻抗。因此，高速信号的回流路径趋向于直接从信号走线下方通过，因为这条通路拥有最小的阻抗。

信号耦合
电流从一条走线上流过，会在其周围产生电磁场，该电磁场会以系数K耦合到走线周围的导线，在这些导线上产生一个反向电流，这同时也是变压器的工作原理。

耦合的系数K在0-1之间。
K的值取决于2个问题

电流变化的快慢。或者说上升时间（dI/dt 互感的原理）
线与线之间的距离。

电流变化越快，线与线之间距离越近，则K越大。
所以考虑I是i的回流的情况，则i的电流会增强回流，同样回流的电流I其实是等于i的，这个时候耦合相当于增强了电流I和i的电流。可以这样理解这个问题。

由于这种耦合增强了这种电流，相当于较小的电压就可以带来更大的电流。或者说相同的电压可以推动更大的电流。

当意识到这种耦合其实是减小了信号回流的阻抗之后，可以发现，如果有一条信号线，在其下方有一整个参考平面，那么其与信号线平行的那写面积正是阻抗最小的回路（因为其耦合最强）。这就是为什么高速信号的回路电流趋向于直接在信号走线的下面流过的原因：这条通路拥有着最小的阻抗（上节说过信号趋向于从阻抗最小的地方流过）
可以总结如下:
直流信号的回流电流可能位于电路板上的任何位置。但是交流信号总是趋向于直接从信号的走线下方通过。当上升时间减小（dI/dt增大）时，这种趋势会加强。