走線的參考平面在哪?

很多人對于PCB走線的參考平面感到迷惑，經(jīng)常有人問：對于內(nèi)層走線，如果走線一側(cè)是VCC，另一側(cè)是GND，那么哪個是參考平面?

要弄清楚這個問題，必須對了解傳輸線的概念。我們知道，必須使用傳輸線來分析PCB上的信號傳輸，才能解釋高速電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。最簡單的傳輸線包括兩個基本要素：信號路徑、參考路徑(也稱為返回路徑)。信號在傳輸線上是以電磁波的形式傳輸?shù)?，傳輸線的兩個基本要素構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。從電磁波傳輸?shù)慕嵌葋碇v，信號路徑和參考路徑一道構(gòu)成了一個特殊物理結(jié)構(gòu)，電磁波在這個結(jié)構(gòu)中傳輸。從電流回路角度來講，信號路徑承載信號電流，參考路徑承載返回電流，因此參考路徑也稱為返回路徑。

對于PCB上的表層走線，走線和下面的平面層共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境。這里，走線下面的平面到底是什么網(wǎng)絡(luò)屬性無所謂，VCC、GND、甚至是沒有網(wǎng)絡(luò)的孤立銅皮，都可以構(gòu)成這樣的電磁波傳輸環(huán)境，關(guān)鍵在于下面的平面是導(dǎo)體，這就夠了。信號路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對于PCB上這一特殊結(jié)構(gòu)，參考路徑是以平面的形式出現(xiàn)的，所以也叫參考平面。從電流回路的角度來說，參考平面承載著信號的返回電流，所以也叫返回平面。下面的圖顯示了表層走線的場分布和電流分布。這里參考平面的作用應(yīng)該很清楚了：作為電磁波傳輸物理環(huán)境的一部分(從電磁波傳輸角度)、作為電流返回路徑(從電流回路角度)。

如果搞懂了上面的邏輯，那么內(nèi)層走線的參考平面在哪就很清楚了，走線、上方平面、下方平面3者共同構(gòu)成了電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)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(huán)境和場分布的關(guān)系。從構(gòu)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。如果還是無法理解為什么兩個平面都是參考平面，不防好好看看下面的這個圖，無論從哪個方面來看，兩個平面是完全對稱的，為什么還糾結(jié)哪個是參考平面，如果一個是，那么另一個為什么不是?

理解參考平面的最直接的方法就是“構(gòu)成電磁波傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境”。

看看感到困惑的結(jié)構(gòu)，是否滿足這個條件?

很寬的無網(wǎng)絡(luò)孤立銅皮可以么?

當(dāng)然導(dǎo)體必須是“平面形式”才能稱為“參考平面”，要不然何來平面之說!

前文指出了如果兩個平面和走線的間距近似相等(這種情況在十幾層的板子上很常見)時，那么兩個平面對于走線的重要性也近似一樣。實際工程中我們還會碰到另一種情況，兩個平面其中之一距離走線很近，另外一個距離走線很遠(yuǎn)，比如典型的6層板配置，中間的芯板(Core)厚度通常在1毫米以上。下圖是一個6層板層疊示例，內(nèi)層兩個信號層InnerSignal1和InnerSignal2都屬于這種情況，這時兩個平面對內(nèi)層走線的作用肯定是不同的。這時哪個是參考平面?

先看平面上的返回電流，對于InnerSignal2來觀察遠(yuǎn)離它的VCC平面上的返回電流有多少。下圖是紅色表示的是信號電流10mA，藍(lán)色表示的就是VCC上的返回電流約1.2mA。遠(yuǎn)離InnerSignal2的VCC上的返回電流很少，有近90%的返回電流時從緊鄰InnerSignal2的GND平面上返回的，GND平面對InnerSignal2影響遠(yuǎn)大于VCC平面。

再看VCC平面對InnerSignal2層走線阻抗的影響。下圖將有VCC平面和沒有VCC平面兩種情況下走線阻抗做了一個對比，即使拿掉VCC平面也沒有對走線阻抗產(chǎn)生致命的影響，阻抗變化量不到1歐姆，變化率小于2%。從工程角度來講可以近似認(rèn)為InnerSignal2層走線參考平面就是和它最接近的GND平面。

盡管可以這樣近似，但關(guān)鍵是一定要清楚距離InnerSignal2層很遠(yuǎn)的那個VCC平面不是沒有影響，只不過影響不大而已。任何時候不要把問題絕對化，這樣對初學(xué)者有百害而無一利，如果總是追求非此即彼、非黑即白，很可能會走入死胡同。

高速電路信號完整性設(shè)計中，很多問題都是這樣，你要關(guān)注的不是“有”還是“沒有”的問題，而是“多”和“少”的問題。這樣在對付毫不講情面的電路板的時候才能有足夠的底牌，防止它耍脾氣撂挑子，最大限度的掌控它。