首先,记住一个结论:电流永远是闭合的,从哪里来,就要回到哪里去,不管是电流或者位移电流的形式。
所以,当电流从一个器件出来的时候,它必然会找一个路径回去。让它从哪回去,或者它会从哪回去,就是PCB设计中需要考虑的一个问题。
比如,前阵子在文章中,看到这样一个规范:同一方向供电路径采用从大信号到小信号的路径进行供电,这样可以减小大信号回路对小信号回路的影响。
我的理解,如我在上图标注的红绿曲线,主要就是因为电流回流路径的问题,从大到小的供电路径使得大信号的回流路径直接就回去了,而不会经过小信号的下方。
电流回去的路径,永远是找最小阻抗(impedance)路径。
阻抗的表达式Z=R+jwL,所以当频率为DC时,寻找R最小的路径;当频率升高时,则寻找电感最小的路径。
假设有一两层板,器件焊在top面,也就是电流源在top面,驱动一单端微带线,微带线的另一端接一电阻通过via2到地,同时,电流源的参考管脚(return lead)也通过via1到地。文献,对下图进行仿真。
得到仿真结果如下图。
可以看到:
在频率1KHz的时候,R在阻抗中占主导,电流的回流路径还是想寻找R最小路径。铜皮的电阻R跟它的长度L、电阻率ρ成正比,跟它的横截面积S成反比,即R=ρL/S,所以,回流路径就会找L最短,S最窄的路径。
当频率升高时,wL开始占主导,所以电流开始寻找电抗最小路径。而路径的电抗与电流路径形成的环的面积成正比。所以,电流的回流路径就聚集在微带线的下方。
文献:ELYA B.JOFFE,Kai-Sang Lock,Grounds for grounding:A circuit-to-system Handbook