本文轉自專治pcb疑難雜症
作者：PCB楊老師
Question
四層板，層疊走TOP-GND-POWER-BOTTOM，做共面阻抗，參考第三層的話，剛好天線下面的第三層區域走的電源3V3，有影響嗎？還是天線參考必須要是GND嗎？
Answer
首先電源平面肯定是能做參考平面的，常見的DDR的六層板，一般都用了電源層作爲DDR信號的參考平面，這個設計過的基本都不會遲疑。我們要弄明白的問題就是電源平面是否可以作爲RF信號，高速信號的參考平面？
上面的這個問題，告訴我們很多時候我們可能都在選錯平面。在這裏，楊老師就分享下這個問題的一些見解和思路。
01
我們需要弄清楚什麼是參考平面？
首先很確定的它是一個平面，是一個完整的平面；以表層走線來說，走線和下面的平面層共同構成了電磁波傳輸的物理環境。走線下面的平面到底是什麼網絡屬性無所謂，VCC、GND、甚至是沒有網絡的孤立銅皮，都可以構成這樣的電磁波傳輸環境，關鍵在於下面的平面是導體就行了。信號路徑是表層走線，所以下面的平面就是參考路徑。對於PCB上這一特殊結構，參考路徑是以平面的形式出現的，所以也叫參考平面。從電流回路的角度來說，參考平面承載着信號的返回電流，所以也叫返回平面。下面的圖顯示了表層走線的場分佈和電流分佈。
以內層走線來說，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，從下面的場分佈圖中可以很清楚的看到物理環境和場分佈的關係。從構成電流回路的角度來看，下圖的電流分佈圖也很清晰的顯示出返回電流的分佈，如果兩個平面和走線之間的間距近似相等，那麼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。
我們知道信號傳輸線的兩個基本要素，信號路徑以及參考路徑，這裏參考平面的作用應該很清楚了：作爲電磁波傳輸物理環境的一部分（從電磁波傳輸角度）、作爲電流返回路徑（從電流回路角度）。簡單點說，參考平面兩個點：算阻抗和提供迴流路徑。所以如果只是單純的滿足阻抗一致要求，無論是GND平面還是電源平面都是可以的。但是一般情況下，參考平面主要是作爲電流返回的路徑。所以就有了下面的問題。
02
信號是如何參考電源平面的？
前面楊老師已經分析過了，電源平面也是能作爲參考平面算阻抗的，而下面楊老師將從電流返回路徑上分析。
如下圖一個四層板PCB信號通過過孔換層參考電源：
信號源以地平面作爲參考平面時，迴流路徑當然是地平面，當高速信號在信號線上傳播時，在信號電流向前傳播的過程當中，由於與參考平面之間存在容性耦合，所以當發生dV/dt時，就會有電流經耦合電容流向參考平面的現象，傳輸線正下方位置都會有瞬態電流流回到源端電路。
但如果信號的參考爲電源平面，那麼信號迴流將首先流向電源層，然後再通過電源與地網絡之間的Cpg流向地網絡，最後再經地層流向源端電路，最終形成一個完整的電流回路。我們都知道，控制好高速信號的迴路阻抗非常關鍵，因爲它直接影響到信號傳輸特性。
這裏剛好涉及到三個知識點，可能大家平常沒有注意：
- 高速信號換層處需要加回流地過孔，這裏其實就是增加了垂直方向的迴流路徑，這個對於高速信號是非常有必要的。
- 高速信號換層後儘量還是同類型的參考平面，這點的好處其實在圖片中就可以看出來。
- 當電源、地層之間存在足夠的去耦電容後，其交流阻抗極小，交流信號可以在任何一層上傳輸。換言之，對於交流信號而言，電源、地層是沒有區別的。
03
高速信號能夠參考電源層？
和地平面一樣，電源平面也可以應用在低阻抗的信號返回路徑，假如有足夠多的旁路電容，那麼電源平面傳輸會和地平面一樣好，在一個電源面和地平面或者兩個電源平面帶狀傳輸線也可以工作。但當信號參考電源層佈線時，迴流路徑當中對信號影響最大的就是Cpg電源與地網絡之間的容性通道。它可以是電源地網絡上分佈複雜的退耦電容，也可能包含電源地層平面之間的平板電容，構成非常複雜，在各個頻點所表現的阻抗特性都不一樣，難以量化與控制，所以這個假如很難成立。
即使離信號層近的是電源層，返回信號也會經由電源層最終返回到地層，因爲信號輸入時是以地爲參考層的。但是如果去耦做得不好，電源層和地層之間的阻抗會很大，那麼返回信號會受到很大的阻抗。
信號參考電源層會給信號質量帶來影響，電源地層之間的阻抗會是影響的主要因素，信號頻率越高，帶來的影響會越明顯。當然也不是所有信號都不能參考電源，具體多少頻率什麼信號可以參考電源，要看實際PCB設計以及PDN網絡的實際情況，最好能利用仿真軟件進行分析驗證。
爲什麼有些信號設計指定要求參考它本身的電源層？
這是因爲芯片內部信號參考的是電源，那麼在PCB上參考電源會比較好，但多數芯片設計中高速信號都是參考地，所以在很多高速信號的設計指導當中都推薦參考地，雖然在高頻帶電源去耦電容顯低阻抗特性，電源與地表現爲等電位，但由於去耦電容位置擺放的問題可能會增大信號的迴流面積，從而影響信號質量，所以對於多數高速信號，參考地位比較好的選擇。
楊老師給的建議：高速信號建議參考地平面，至少有一個完整的地平面；另外電源平面需要與地平面緊耦合，即緊緊的挨在一起。
04
RF射頻信號能否參考電源層？
其實用高速信號能否參考電源層的理論也可以解釋RF射頻信號能否參考電源層的問題，從返回路徑看，RF射頻信號更不適合參考電源層。電源層與地層之間阻抗和耦合不好就會對RF信號產生的影響很大。要知道，電源層非真正的地，從EMI角度也不推薦用電源平面做微帶線的地，信號返回地路徑可能變得很長，也有可能受到干擾。
另外，電源、地平面均能用作參考平面，且有一定的屏蔽作用，但相對而言，電源平面具有較高的特徵阻抗，與參考電平存在較大的電位勢差。從屏蔽的角度來看，地平面一般都做了接地處理，並作爲基本電平參考點，其屏蔽效果遠遠優於電源平面。
那對於RF的電源怎麼處理？
RF電路的電源儘量不要採用平面分割，整塊的電源平面不但增加了電源平面對RF信號的輻射，而且也容易被RF信號的干擾。所以電源線或平面一般採用長條形狀，根據電流的大小進行處理，在滿足電流能力的前提下儘可能粗，但是又不能無限制的增寬。在處理電源線的時候，一定要避免形成環路。電源線和地線的方向要與RF信號的方向保持平行但不能重疊，在有交叉的地方最好採用垂直十字交叉的方式。