Chemin de retour sur un PCB

J'ai passé le week-end à absorber des conférences vidéo d'Eric Bogatin et à lire son livre "Signal and Power Integrity - Simplified"

Il déclare que le chemin de retour pour le PCB peut être n'importe quel plan DC qui pourrait être un rail VCC sous le chemin du signal.

Considérez le circuit simple suivant

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si U1 et U2 sont placés sur la couche supérieure et TX et RX sont acheminés uniquement vers la couche supérieure, alors le chemin de retour pour le signal (TX vers RX) serait Vcc. Je suis d'accord avec ça.

Ma question est, lorsque le courant de retour atteint juste sous la broche TX, où va le courant? À ce stade, trouve-t-il son chemin vers Gnd ou retourne-t-il dans le TX et à travers le dé, retour à la terre?

** Texte ajouté du livre **

Lorsque TX passe de bas en haut, le courant circule comme ceci:

Alimentation Vcc -> Plan PCB Vcc -> Broche U1.Vcc -> Broche U1.TX -> Broche U2.RX -> Broche U2.Gnd -> "voie de retour" -> Plan PCB Gnd -> Alimentation Gnd

C'est formidable que vous compreniez que ce que nous appelons le "chemin de retour" sera le plan le plus proche (dans ce cas le plan Vcc). Cela a du sens car les champs ne peuvent pas lire, ils se formeront donc entre les parties métalliques de votre PCB, quel que soit le nom que vous leur donnez.

Dans le cas DC statique, le "chemin de retour" sera en fait le plan Gnd car il aura la plus faible impédance. À des fréquences plus élevées, les champs se formeront dans le plan Vcc et la densité de courant sera élevée dans le plan Vcc juste sous la trace.

Alors, comment le courant passe-t-il du plan Vcc et revient-il au plan Gnd pour les fréquences plus élevées?

Eh bien, rappelez-vous que l'impédance entre ces deux plans est assez faible à ces fréquences plus élevées. En fait, nous voulons également réduire l'impédance entre Vcc et Gnd sur toute la plage de fréquences pertinente (utiliser quelque chose comme PDNTOOL.COM pour le concevoir), donc ce n'est pas une grande surprise (espérons-le).

La conception du PDN est également bien couverte dans le livre d'Eric Bogatins.

Faites-moi savoir si cela vous a aidé?

J'espère que vous avez fourni des condensateurs de contournement d'alimentation entre VCC et GND près des deux puces. Ces condensateurs de dérivation permettront aux courants à haute fréquence de circuler entre VCC et GND.

Notez que cela signifie que les condensateurs de dérivation font partie du chemin de retour, et vous devez évaluer la sélection et le placement des pièces en gardant cela à l'esprit.

En outre, les circuits d'attaque et de réception à l'intérieur des puces déterminent le rail à partir duquel le courant circule. Même si vous utilisez GND comme plan de référence, lorsqu'un conducteur tire haut, il tirera du courant du rail VCC et donc le rail VCC et les condensateurs de dérivation feront partie du chemin de retour.

C'est quelque chose que je me demandais aussi quand j'ai commencé jusqu'à ce que le Dr Johnson me l'explique. Au fur et à mesure que vous lisez, le courant de retour d'un signal à haute vitesse reviendra en suivant le chemin de moindre impédance. Dans un microruban, par exemple, ce sera le plan de référence le plus proche, quelle que soit la tension continue qu'il transporte. Comme vous le dites, une trace référencée à votre avion VCC aura sa course de retour de courant le long de l'avion VCC.

Maintenant, tout le courant circule dans une boucle, donc lorsqu'il revient sous la puce dans votre exemple, il recherchera le chemin d'impédance le plus faible entre VCC et GND, ce qui sera vos bouchons de découplage d'E / S que vous avez stratégiquement placés près de votre puce.

Le chemin de retour ne serait pas via Vcc.

Pensez-y en termes de boucles de courant, de l'étage d'entraînement TX et de l'étage d'entrée RX

Prenons par exemple cette E / S numérique (exemple d'étapes d'E / S tirées de la fiche technique ISO7221)

Considérons deux états

1. TX est élevé:

Dans ce cas, il y a un "blat" de charge initial pour faciliter l'activation de la GATE du tampon RX. Après quoi, il n'y a que du courant de fuite qui circule (REMARQUE: cela néglige la résistance de terminaison)

2. TX est faible:

Dans ce cas, l'étage TX maintient la broche LOW facilitant le passage du courant de la résistance de rappel.

Dans les deux cas, le courant circule du + ve de la batterie vers le -ve de la batterie.

Considérons maintenant d'un point de vue PCB. Avec un plan VCC et GND contigu sous les deux circuits intégrés, le courant qui circulera suivra les traces - grande petite boucle.

Disons qu'il y a eu une rupture dans le plan GND entre les deux puces, la route que le courant de retour emprunterait ne suivrait pas celle de la trace TX == mauvaise.