射频、高速信号的参考平面一定是地吗？

    关于参考平面的问题经常让人困惑，电源平面能不能做参考平面？关于这个问题，答案是肯定的。首先，电源平面是可以作为参考平面的，常见的6层板一般都采用电源层作为DDR信号的参考平面，这种设计基本都不会迟疑。我们要弄清的就是电源平面是否可以作为RF信号，高速信号的参考平面？下面关于这个问题为大家提供一些见解与思路。

 01.什么是参考平面？ 

参考平面，顾名思义，就是一个平面。如何理解这个平面，首先要了解传输线的概念。我们都知道，必须使用传输线来分析PCB上的信号传输来解释高速电路中的各种现象。最简单的传输线包括：信号路径和参考路径（也称返回路径）。信号在传输线以电磁波的形式传输，信号路径及参考路径构成了电磁波的传输环境；从电流回路的角度讲，信号路径承载信号电流，参考路径承载返回电流，因此参考路径也称返回路径。

就PCB上层走线而言，走线和下面的平面层构成了电磁波传输的物理环境，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。这里和走线下面的平面是什么网络属性都无所谓，VCC、GND、设置是没有网络的孤立铜皮也可以，关键在于下面的平面是导体这就行了。

下图是表层走线的场分布和电流分布。

内层走线来说，走线、上方平面、下方平面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。下图显示了内层走线的场分布和电流分布图，从图中能够清楚看到，如果两个平面与走线的距离近似相等，那么两个返回电路也近似相等，此时两个平面同样重要，这样就不难理解内层走线的上下两个平面都是参考平面了。

参考平面两个点：算阻抗和提供回流路径，所以如果只是单纯满足阻抗一致的要求，无论是GND平面还是电源平面都可以的。但是一般情况下，参考平面主要是作为电流返回的路径，所以就有了以下问题。

 02.信号是如何参考电源平面的？ 

上文已分析了电源层也可以作为参考平面算阻抗，那么下面将从电流返回路径上分析。以一个简单的4层PCB为例，信号通过过孔换层参考电源，其信号的回流路径如下：

当高速信号在信号线上传播时，在信号向前传播的过程中，由于参考平面之间会存在容性耦合，当发生dV/dt时，就会出现电流经耦合电容流向参考平面的现象，传输线下方位置就会有瞬态电流流回到源端电路。

当电源层作为参考平面时，信号回流会先流向电源层，再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络，最后在经过地层流向源端电路，最终形成一个完整的电源回路。控制好高速信号的回路阻抗非常关键，因为它直接影响到信号传输特性。

这里涉及三个大家可能平时没有注意到的三个知识点：

1.高速信号换层处需要加回流过孔，这里其实就是增加了垂直方向的回流路径，这个对于高速信号是非常有必要的。

2.高速信号换层后尽量还是同类型的参考平面，这点的好处其实在图片中就可以看出来

3.当电源、地层之间存在足够的去耦电容后，其交流阻抗极小，交流信号可以在任何层上传输。换而言之，对于交流信号而言，电源、地层是没有区别的。

 03.高速信号能否参考电源层？ 

理论上和地平面一样，电源信号层也可以应用于低阻抗的信号返回路径。假设有足够多的旁路电容，那么电源平面传输会和地面一样好，在一个电源面和地平面或者两个电源平面带状传输线也可以工作。但是，当信号参考电源层时，回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。它可能是电源地网络上分布复杂的退耦电容，也可能包含电源地层平面之间的平板电容，由于构成复杂，在各频点所表现出来的阻抗特性都不一样，难以量化与控制，所以这个假设很难成立。

即使电源层离信号层更近，返回信号也会经电源层返回到地层，因为信号输入时是以地层为参考层的。但是如果去耦做的不好，电源层与地层之间的阻抗会很大，那么返回信号会受到很大的阻抗。

信号参考电源层会给信号质量带来影响，电源地层之间的阻抗是影响的主要因素，信号频率越高，带来的影响会越明显。当然，也不是所有信号都不能参考电源，具体多少频率，什么信号可以参考电源，要看实际PCB设计以及PDN网络的实际情况，最好利用仿真软件进行分析验证。

有些信号设计指定要求参考它本身的电源层，这又是为什么？

这是由于芯片内部信号参考的是电源，那么在PCB上参考电源比较好。但是大多数芯片在设计中高速信号都是参考地，所以在大多数高速信号设计指导中都推荐参考地，虽然在高频带电源去耦电容显示低阻抗特性，电源与地表现为等电位，但由与去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积，从而影响信号质量，所以对于多数高速信号，参考地位以较好。

在此建议：高速信号建议参考地平面，至少有一个完整的地平面；另外电源平面需要与地平面紧耦合，既紧紧挨在一起。

 04.RF射频信号能否参考电源层？ 

高速信号能否参考电源信号的理论也能解释RF射频信号能否参考电源层的问题，从返回路径来看，RF射频信号更加不合适参考电源层。理由是电源层与地层之间的阻抗和耦合不好就会对RF信号产生很大的影响。要知道，电源层并非真正的地，从EMI角度也不推荐电源层作为微带线的地，信号返回的路径可能会变得很长而受到干扰。其次，电源、地平面均能作为参考平面，且有一定的屏蔽作用，但相对而言，电源平面具有较高的特征阻抗，与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度而言，地平面一般都做了接地处理，并作为基本电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。

那么， 该怎么处理RF射频电源？RF射频电源尽量不要用平面分割，整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射，而且也容易被RF信号干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状，根据电流大小进行处理，在满足电流能力的前提下尽可能粗，但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候，一定要避免形成环路。电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。

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