關(guān)于參考平面的問(wèn)題經(jīng)常讓人困惑，電源平面能不能做參考平面？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，答案是肯定的。首先，電源平面是可以作為參考平面的，常見(jiàn)的6層板一般都采用電源層作為DDR信號的參考平面，這種設計基本都不會(huì )遲疑。我們要弄清的就是電源平面是否可以作為RF信號，高速信號的參考平面？下面關(guān)于這個(gè)問(wèn)題為大家提供一些見(jiàn)解與思路。
01.什么是參考平面？
參考平面，顧名思義，就是一個(gè)平面。如何理解這個(gè)平面，首先要了解傳輸線(xiàn)的概念。我們都知道，必須使用傳輸線(xiàn)來(lái)分析PCB上的信號傳輸來(lái)解釋高速電路中的各種現象。最簡(jiǎn)單的傳輸線(xiàn)包括：信號路徑和參考路徑（也稱(chēng)返回路徑）。信號在傳輸線(xiàn)以電磁波的形式傳輸，信號路徑及參考路徑構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(chēng)返回路徑。
就PCB上層走線(xiàn)而言，走線(xiàn)和下面的平面層構成了電磁波傳輸的物理環(huán)境，信號路徑是表層走線(xiàn)，所以下面的平面就是參考路徑。對于PCB上這一特殊結構，參考路徑是以平面的形式出現的，所以也叫參考平面。這里和走線(xiàn)下面的平面是什么網(wǎng)絡(luò )屬性都無(wú)所謂，VCC、GND、設置是沒(méi)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體這就行了。
下圖是表層走線(xiàn)的場(chǎng)分布和電流分布。
內層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，走線(xiàn)、上方平面、下方平面構成了電磁波傳輸的物理環(huán)境，所以上下兩個(gè)平面都是信號的參考路徑，也就是參考平面。下圖顯示了內層走線(xiàn)的場(chǎng)分布和電流分布圖，從圖中能夠清楚看到，如果兩個(gè)平面與走線(xiàn)的距離近似相等，那么兩個(gè)返回電路也近似相等，此時(shí)兩個(gè)平面同樣重要，這樣就不難理解內層走線(xiàn)的上下兩個(gè)平面都是參考平面了。
參考平面兩個(gè)點(diǎn)：算阻抗和提供回流路徑，所以如果只是單純滿(mǎn)足阻抗一致的要求，無(wú)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(wèn)題。
02.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(gè)簡(jiǎn)單的4層PCB為例，信號通過(guò)過(guò)孔換層參考電源，其信號的回流路徑如下：
當高速信號在信號線(xiàn)上傳播時(shí)，在信號向前傳播的過(guò)程中，由于參考平面之間會(huì )存在容性耦合，當發(fā)生dV/dt時(shí)，就會(huì )出現電流經(jīng)耦合電容流向參考平面的現象，傳輸線(xiàn)下方位置就會(huì )有瞬態(tài)電流流回到源端電路。
當電源層作為參考平面時(shí)，信號回流會(huì )先流向電源層，再通過(guò)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(guò)地層流向源端電路，最終形成一個(gè)完整的電源回路?？刂坪酶咚傩盘柕幕芈纷杩狗浅ｊP(guān)鍵，因為它直接影響到信號傳輸特性。
這里涉及三個(gè)大家可能平時(shí)沒(méi)有注意到的三個(gè)知識點(diǎn)：
1.高速信號換層處需要加回流過(guò)孔，這里其實(shí)就是增加了垂直方向的回流路徑，這個(gè)對于高速信號是非常有必要的。
2.高速信號換層后盡量還是同類(lèi)型的參考平面，這點(diǎn)的好處其實(shí)在圖片中就可以看出來(lái)
3.當電源、地層之間存在足夠的去耦電容后，其交流阻抗極小，交流信號可以在任何層上傳輸。換而言之，對于交流信號而言，電源、地層是沒(méi)有區別的。
03.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用于低阻抗的信號返回路徑。假設有足夠多的旁路電容，那么電源平面傳輸會(huì )和地面一樣好，在一個(gè)電源面和地平面或者兩個(gè)電源平面帶狀傳輸線(xiàn)也可以工作。但是，當信號參考電源層時(shí)，回流路徑當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，由于構成復雜，在各頻點(diǎn)所表現出來(lái)的阻抗特性都不一樣，難以量化與控制，所以這個(gè)假設很難成立。
即使電源層離信號層更近，返回信號也會(huì )經(jīng)電源層返回到地層，因為信號輸入時(shí)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(huì )很大，那么返回信號會(huì )受到很大的阻抗。
信號參考電源層會(huì )給信號質(zhì)量帶來(lái)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(lái)的影響會(huì )越明顯。當然，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(shí)際PCB設計以及PDN網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況，最好利用仿真軟件進(jìn)行分析驗證。
有些信號設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。但是大多數芯片在設計中高速信號都是參考地，所以在大多數高速信號設計指導中都推薦參考地，雖然在高頻帶電源去耦電容顯示低阻抗特性，電源與地表現為等電位，但由與去耦電容位置擺放的問(wèn)題可能會(huì )增大信號的回流面積，從而影響信號質(zhì)量，所以對于多數高速信號，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(gè)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。
04.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(wèn)題，從返回路徑來(lái)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(huì )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(xiàn)的地，信號返回的路徑可能會(huì )變得很長(cháng)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(diǎn)，其屏蔽效果遠遠優(yōu)于電源平面。
那么， 該怎么處理RF射頻電源？RF射頻電源盡量不要用平面分割，整塊的電源平面不但增加了電源平面對RF信號的輻射，而且也容易被RF信號干擾。所以電源線(xiàn)或平面一般采用長(cháng)條形狀，根據電流大小進(jìn)行處理，在滿(mǎn)足電流能力的前提下盡可能粗，但是又不能無(wú)限制的增寬。在處理電源線(xiàn)的時(shí)候，一定要避免形成環(huán)路。電源線(xiàn)和地線(xiàn)的方向要與RF信號的方向保持平行但不能重疊，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。
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