信号是如何传播的?

文摘   科技   2024-09-12 18:55   浙江  

传输线信号如何回流

我们在之前的章节中,说传输线的回流路径并非一定要是GND平面,却没有详细说明信号的完整回流是怎样的。

那么对于参考平面不是GND平面或则是GND平面,具体回流路径是怎样的呢?

举个典型的栗子,如下图所示,一条带状线(什么是带状线?置于2个平行的电源/地平面之间的电介质之间的一根传输线)上层是电源平面,下层是GND平面,那么信号线中传输信号时,它是怎么智能地选择GND或电源平面来作为回流的?

我们分两种情况:信号上升沿和下降沿,来对回流路径进行分析。

1. 当信号线上的信号电平由低(0)到高(1)跳变(上升沿)时,其电流通路如下图所示。

1, 首先,我们知道电流从哪里流出来,必然要流回到哪里去;所以当信号线从0—>1跳变时,这些电流是从哪里来的呢?对于CMOS/TTL电平驱动来说,其必然来自于器件的电源管脚VCC

2, 电流从VCC通过MOS管流向信号线,而信号线上的电流则不断通过信号路径与回流路径之间的电容(与GND和VCC的两个平面),要返回到VCC去。

3, 对于信号来说,它并不清楚上面那层是VCC平面,下面那层是GND平面,所以信号边沿只会根据所处的电路结构来决定回流到VCC平面和GND平面的电流大小。

所谓的电路结构,是指信号线与VCC之间的距离和信号线与GND之间的距离大小。它们之间的距离决定了寄生电容的大小。

4, 信号线与电源平面和GMD平面之间的两组信号回流路径如下

(1) VCC平面作为回流路径黄色箭头VCC平面->源端器件VCC电源管脚,阻抗非常小。

(2) GND平面作为回流路径绿色箭头 GND平面->源端器件附近的GND平面(阻抗很小),然后通过源端器件的去耦电容(10nF,100nF,10uF等),返输出器件VCC电源管脚。

所以,相对于回流到VCC平面来说,回流到GND平面的回流路径反而具有更大的阻抗:多了去耦电容容抗。

当然,去耦电容容抗对于高速信号来说也是非常小的,举个栗子:10uF陶瓷电容器,理想情况下(不考虑寄生电感)在10MHz的容抗是:|Zc| = |1/jωC | = 1/2πfC = 1.6mΩ;那如果10nF陶瓷电容器(不考虑寄生电感)在100MHz下,容抗也只有160mΩ。所以基本可以忽略不计。

2. 当信号线上的电平由低(1)到高(0)跳变时,其电流通路如下图所示;

1, 当信号线从1—>0跳变时,信号线通过下管MOS管驱动到GND,所以信号线上的电流,需要先流回到源端器件内,再到器件GND管脚上。

2, 那么从信号线上的电流是从哪里来的呢?由上图可以看出,这些电流是从VCC平面和GND平面(回流路径)中来的;此时电流通过VCC平面和GND平面上寄生电容流向了信号线。

这里大家可能有个困惑:为什么GND平面也会有电流流向信号线?难道信号线上的电压低于0V?

这是因为信号线与GND平面间电容起始状态是充满电(有电压差)的,当信号线上的电压瞬间降低到0V电平时,电容两端必须有电流释放出来(从GND到信号线方向)。

同理信号线与VCC平面之间寄生电容时没有电压差的,当信号线瞬间降低到0电平时,必须进行充电(从VCC信号线方向);所以VCC平面和GND平面都有电流流向信号线。

3, 我们知道:电流从哪里来,那它必将回到哪里去。所以当它们从VCCGND平面(回流路径)中出来电流,那么必将会从输出器件的GND管脚出发,返回到VCCGND平面(回流路径)中去。

4, 信号线与电源平面和GMD平面之间的两组信号回流路径如下:

(1) VCC平面作为返回路径(黄色箭头):从源端器件的GND管脚->去耦电容->源端器件附近VCC平面->VCC电源平面。

(2) GND平面作为返回路径(绿色箭头):从源端器件的GND管脚->GND平面。

所以我们可以得出一个结论,从原理上来说:信号的回流路径是GND平面还是VCC平面,是完全等价的

但为什么我们一般都要选择用GND作为回流平面呢?我认为主要原因在于:

1. 在数字单板上,不同的器件之间的GND一般是同一个,而且会有多个完整的GND平面。

2. 但是单板上的电源种类一般有多种有,不同电源种类会将电源层分割的支离破碎,所以如果以电源平面作为参考,较大概率会出现回流不连续的情况,导致信号完整性的问题。

3. 同时并不是所有的VCC平面都可以作为回流路径的,最好是器件的I/O电源,起码是输出器件的电源(例如Core电源),器件附近有电容器提供回流路径;但如果不是输出器件的电源,那么回流路径会出现不连续(需要绕到其它器件的电容器进行回流),导致传输线阻抗不连续。

1,如果是输出器件的Core电源,那么回流到输出器件后,那么回流路径时:core电源->去耦电容->GND平面->去耦电容->I/O电源平面。

2,如果回流平面是其它器件的电源,那么回流路径是:从电源平面->去耦电容->GND平面->I/O电源平面。

3,这两种情况的差别在于同I/O电源平面之间的距离,如果是同一个器件,那么距离相对较近,构成的回流环路比较小(阻抗变化小),但如果是其它器件,那么构成的回流环路将会比较大(阻抗变化大)。

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