什么是参考平面？以及PCB的参考平面理解

深亚电子带大家一起了解什么是参考平面？以及PCB的参考平面理解

1、什么是参考平面？

信号传输需要两个基本要素：信号路径和参考路径（返回路径），也就是说所有的信号传输均需要返回路径。如果只有信号路径而没有返回路径，就无法构成信号的传输。参考平面提供信号返回路径，对信号的质量有很大影响。

例如：电源，如果只有正极而不接负极，无法供电；电磁波也不存在只有N而没有S极。信号的传输是一种电磁波，也是电流传输。

2、信号传输原理

信号回流路径最终都是回流到GND，但是POWER也可以作为参考平面，解释有两种：

1、对于交流信号而言，POWER就相当于GND，在小信号通路中，直流电源均看成是GND，为什么？因为POWER与GND之间有大电容，对于交流信号，形成了低阻抗的通路。                                                                                                                                         

2、POWER与GND之间有耦合电容，形成了通路，所以在设计中，对于高频信号，换层时增加回流过孔，减少回流路径。另外也需要主要，如果参考平面为POWER，其之间的耦合耦合           

 电容越大越好。这也解释为什么GND平面与POWER平面越近越好，因为增加耦合电容，提供低阻抗通路。

综上，参考平面最好在同一层，如果不在同一层，那最好是同一属性的参考平面。

 如上图，返回路径中如果没有那个隔离间隙，返回路径是连续阻抗是一致的；但是有那个隔离间隙，导致返回路径的阻抗不连续。在B段，返回路径与驱动路径之间阻抗将相对A段而增大，从而造成信号路径上阻抗不连续。阻抗不连续将造成信号电平的突变、反射，而这种

突变又会带来信号完整性、EMI等各方面的问题。

除阻抗不连续外，B段存在的另一个问题是信号返回路径上的串扰，由于间隙的存在，许多驱动路径与上图信号平行的其他信号，返回时阻抗最小的路径都是B段，使B段成为串扰的集中点，同样不利于信号完整性。

以上有两个问题，第一个是阻抗不匹配导致信号衰减突变反射问题，这部分可能就发射到空间里面去，造成EMI问题。另外一个是就是串扰，什么意思？互相之间信号影响，EMI导致的互相干扰问题。

3、差分对信号是否需要参考平面？

对于差分对信号，对内两信号互为对方提供返回路径，因此差分对内两信号之间的耦合非常重要。既然如此，是否可以说差分对与附近参考平面之间无需耦合？答案是否定的，受限于器件工艺、PCB走线等因素，对内两信号无法实现完全的对称，不可避免地存在共模分

量，这部分共模分量需要通过参考平面实现回流，因此，对于差分对信号而言，与参考平面地紧耦合也同样重要。

4、参考平面的确定

从参考平面的定义来看，谁提供回流通路或说提供返回路径，谁就是参考平面。所以一个信号可能存在多个参考平面，只是说谁提供的路径比重大小问题，

走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境，所以上下两个平面都是信号的参考路径，也就是参考平面，从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。从构成电流回路的角度来看，下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分

布，如果两个平面和走线之间的间距近似相等，那么两个平面上的返回电流也近似相等，此时，两个平面同样重要。从这个角度也能很好的理解两个平面都是参考平面。

理解参考平面的最直接的方法就是“构成电磁波传输的物理环境”。

5、几点注意

信号换层有以下要点需要注意：
要点一：
信号换层时，最好不要改变参考层。如上述例子中，若信号的换层是从信号层1换到信号层2，参考层都是地层1，在这种情况下，返回路径无需换层，即信号换层对返回路径无影响，这是最佳的换层方案。
要点二：
信号换层时，最好不改变参考层的网络属性。相同网络属性可利用附近的过孔实现返回路径的通路，虽然这个过程发生了阻抗的变化，但由于过孔的尺寸较小，容性、感性寄生成分较低，过孔本身产生的阻抗变化可忽略，因此其对返回路径的影响不大。
而如果参考层的网络属性发生了改变（比如从电源层换到GND层），返回路径只能借助平面耦合电容或单板上的电源耦合电容，且两参考层之间存在层间阻抗，当距离较远时，该阻抗不能被忽略，因此，在返回路径通过时，不可避免地产生了一定地压降，信号发生畸变。
要点三：
信号换层时，最好在信号过孔附近增加一个与参考层同属性地过孔（换层前后参考层同一网络属性）。一般要求该过孔与信号换层的过孔距离在50mil之内
要点四：
若换层前后，两参考层的网络属性不同，则要求两参考层相距较近，以减少层间阻抗和返回路径上的压降。
要点五：
当换层的信号较密集时，附加的地或电源过孔之间应保持一定距离。当换层信号很多时，一个地或电源过孔时不够的，需多打几个过孔，若这些过孔相邻较近，则信号回路上会产生串扰，返回路径上的串扰和驱动路径上的串扰对信号完整性的影响是相同的。

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