什么是參考平面？以及PCB的參考平面理解

深亞電子帶大家一起了解什么是參考平面？以及PCB的參考平面理解

1、什么是參考平面？

信號傳輸需要兩個基本要素：信號路徑和參考路徑（返回路徑），也就是說所有的信號傳輸均需要返回路徑。如果只有信號路徑而沒有返回路徑，就無法構成信號的傳輸。參考平面提供信號返回路徑，對信號的質量有很大影響。

例如：電源，如果只有正極而不接負極，無法供電；電磁波也不存在只有N而沒有S極。信號的傳輸是一種電磁波，也是電流傳輸。

2、信號傳輸原理

信號回流路徑最終都是回流到GND，但是POWER也可以作為參考平面，解釋有兩種：

1、對于交流信號而言，POWER就相當于GND，在小信號通路中，直流電源均看成是GND，為什么？因為POWER與GND之間有大電容，對于交流信號，形成了低阻抗的通路。                                                                                                                                         

2、POWER與GND之間有耦合電容，形成了通路，所以在設計中，對于高頻信號，換層時增加回流過孔，減少回流路徑。另外也需要主要，如果參考平面為POWER，其之間的耦合耦合           

 電容越大越好。這也解釋為什么GND平面與POWER平面越近越好，因為增加耦合電容，提供低阻抗通路。

綜上，參考平面最好在同一層，如果不在同一層，那最好是同一屬性的參考平面。

 如上圖，返回路徑中如果沒有那個隔離間隙，返回路徑是連續阻抗是一致的；但是有那個隔離間隙，導致返回路徑的阻抗不連續。在B段，返回路徑與驅動路徑之間阻抗將相對A段而增大，從而造成信號路徑上阻抗不連續。阻抗不連續將造成信號電平的突變、反射，而這種

突變又會帶來信號完整性、EMI等各方面的問題。

除阻抗不連續外，B段存在的另一個問題是信號返回路徑上的串擾，由于間隙的存在，許多驅動路徑與上圖信號平行的其他信號，返回時阻抗最小的路徑都是B段，使B段成為串擾的集中點，同樣不利于信號完整性。

以上有兩個問題，第一個是阻抗不匹配導致信號衰減突變反射問題，這部分可能就發射到空間里面去，造成EMI問題。另外一個是就是串擾，什么意思？互相之間信號影響，EMI導致的互相干擾問題。

3、差分對信號是否需要參考平面？

對于差分對信號，對內兩信號互為對方提供返回路徑，因此差分對內兩信號之間的耦合非常重要。既然如此，是否可以說差分對與附近參考平面之間無需耦合？答案是否定的，受限于器件工藝、PCB走線等因素，對內兩信號無法實現完全的對稱，不可避免地存在共模分

量，這部分共模分量需要通過參考平面實現回流，因此，對于差分對信號而言，與參考平面地緊耦合也同樣重要。

4、參考平面的確定

從參考平面的定義來看，誰提供回流通路或說提供返回路徑，誰就是參考平面。所以一個信號可能存在多個參考平面，只是說誰提供的路徑比重大小問題，

走線、上方平面、下方平面3者共同構成了電磁波傳輸的物理環境，所以上下兩個平面都是信號的參考路徑，也就是參考平面，從下面的場分布圖中可以很清楚的看到物理環境和場分布的關系。從構成電流回路的角度來看，下圖的電流分布圖也很清晰的顯示出返回電流的分

布，如果兩個平面和走線之間的間距近似相等，那么兩個平面上的返回電流也近似相等，此時，兩個平面同樣重要。從這個角度也能很好的理解兩個平面都是參考平面。

理解參考平面的最直接的方法就是“構成電磁波傳輸的物理環境”。

5、幾點注意

信號換層有以下要點需要注意：
要點一：
信號換層時，最好不要改變參考層。如上述例子中，若信號的換層是從信號層1換到信號層2，參考層都是地層1，在這種情況下，返回路徑無需換層，即信號換層對返回路徑無影響，這是最佳的換層方案。
要點二：
信號換層時，最好不改變參考層的網絡屬性。相同網絡屬性可利用附近的過孔實現返回路徑的通路，雖然這個過程發生了阻抗的變化，但由于過孔的尺寸較小，容性、感性寄生成分較低，過孔本身產生的阻抗變化可忽略，因此其對返回路徑的影響不大。
而如果參考層的網絡屬性發生了改變（比如從電源層換到GND層），返回路徑只能借助平面耦合電容或單板上的電源耦合電容，且兩參考層之間存在層間阻抗，當距離較遠時，該阻抗不能被忽略，因此，在返回路徑通過時，不可避免地產生了一定地壓降，信號發生畸變。
要點三：
信號換層時，最好在信號過孔附近增加一個與參考層同屬性地過孔（換層前后參考層同一網絡屬性）。一般要求該過孔與信號換層的過孔距離在50mil之內
要點四：
若換層前后，兩參考層的網絡屬性不同，則要求兩參考層相距較近，以減少層間阻抗和返回路徑上的壓降。
要點五：
當換層的信號較密集時，附加的地或電源過孔之間應保持一定距離。當換層信號很多時，一個地或電源過孔時不夠的，需多打幾個過孔，若這些過孔相鄰較近，則信號回路上會產生串擾，返回路徑上的串擾和驅動路徑上的串擾對信號完整性的影響是相同的。

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