PCB走线的参考平面在哪？

shuszhao

走线的参考平面在哪?
很多人对于PCB走线的参考平面感到迷惑，经常有人问：对于内层走线，如果走线一侧是VCC，另一侧是GND，那么哪个是参考平面?
要弄清楚这个问题，必须对了解传输线的概念。我们知道，必须使用传输线来分析PCB上的信号传输，才能解释高速电路中出现的各种现象。最简单的传输线包括两个基本要素：信号路径、参考路径(也称为返回路径)。信号在传输线上是以电磁波的形式传输的，传输线的两个基本要素构成了电磁波传输的物理环境。从电磁波传输的角度来讲，信号路径和参考路径一道构成了一个特殊物理结构，电磁波在这个结构中传输。从电流回路角度来讲，信号路径承载信号电流，参考路径承载返回电流，因此参考路径也称为返回路径。
对于PCB上的表层走线，走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。这里，走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓，VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮，都可以构成这样的电磁波传输环境，关键在于下面的平面是导体，这就够了。信号路径是表层走线，所以下面的平面就是参考路径。对于PCB上这一特殊结构，参考路径是以平面的形式出现的，所以也叫参考平面。从电流回路的角度来说，参考平面承载着信号的返回电流，所以也叫返回平面。下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。这里参考平面的作用应该很清楚了：作为电磁波传输物理环境的一部分(从电磁波传输角度)、作为电流返回路径(从电流回路角度)。

                               
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如果搞懂了上面的逻辑，那么内层走线的参考平面在哪就很清楚了，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。如果还是无法理解为什么两个平面都是参考平面，不防好好看看下面的这个图，无论从哪个方面来看，两个平面是完全对称的，为什么还纠结哪个是参考平面，如果一个是，那么另一个为什么不是?

                               
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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”。
看看感到困惑的结构，是否满足这个条件?
很宽的无网络孤立铜皮可以么?
当然导体必须是“平面形式”才能称为“参考平面”，要不然何来平面之说!
前文指出了如果两个平面和走线的间距近似相等(这种情况在十几层的板子上很常见)时，那么两个平面对于走线的重要性也近似一样。实际工程中我们还会碰到另一种情况，两个平面其中之一距离走线很近，另外一个距离走线很远，比如典型的6层板配置，中间的芯板(Core)厚度通常在1毫米以上。下图是一个6层板层叠示例，内层两个信号层InnerSignal1和InnerSignal2都属于这种情况，这时两个平面对内层走线的作用肯定是不同的。这时哪个是参考平面?

                               
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先看平面上的返回电流，对于InnerSignal2来观察远离它的VCC平面上的返回电流有多少。下图是红色表示的是信号电流10mA，蓝色表示的就是VCC上的返回电流约1.2mA。远离InnerSignal2的VCC上的返回电流很少，有近90%的返回电流时从紧邻InnerSignal2的GND平面上返回的，GND平面对InnerSignal2影响远大于VCC平面。
再看VCC平面对InnerSignal2层走线阻抗的影响。下图将有VCC平面和没有VCC平面两种情况下走线阻抗做了一个对比，即使拿掉VCC平面也没有对走线阻抗产生致命的影响，阻抗变化量不到1欧姆，变化率小于2%。从工程角度来讲可以近似认为InnerSignal2层走线参考平面就是和它最接近的GND平面。
尽管可以这样近似，但关键是一定要清楚距离InnerSignal2层很远的那个VCC平面不是没有影响，只不过影响不大而已。任何时候不要把问题绝对化，这样对初学者有百害而无一利，如果总是追求非此即彼、非黑即白，很可能会走入死胡同。
高速电路信号完整性设计中，很多问题都是这样，你要关注的不是“有”还是“没有”的问题，而是“多”和“少”的问题。这样在对付毫不讲情面的电路板的时候才能有足够的底牌，防止它耍脾气撂挑子，最大限度的掌控它。