現在PCB的疊層越來越多，布線越來越密。

雖說從EMC和信號完整性的角度來講，布線最好在同一層，也就是說，不要一根信號線，從A層走到B層，所謂跳層。

不過，這種要求，在現代PCB設計中，是絕對不可能實現的。

當信號線從一層走到另一層時，對應信號的回流正在想辦法回家。信號流向很清楚，就是隨著跡線流動，但是回流呢?

由于趨膚效應和鄰近效應的存在，使得情況更加復雜。雖然L2層是一個平面，但是是一個有厚度的平面，所以，由于趨膚效應和鄰近效應，高頻回流存在于靠近信號線的一側，也就是說L1對應的回流分布在L2的平面的上表面;而L3對應的回流分布在L2的下表面。如下圖(左)所示。

所以要使回流能夠跨越L2的厚度，到達另一表面，需要在該平面上提供一個電鍍通孔。該通孔有兩個作用，如下圖(右)所示：

(1) 連接L1層和L3層，中心導體走信號

(2) 孔的外導體，走回流。

這樣，當信號從通孔過的時候，回流也能從通孔的外壁流過，保持了連續性。而回流路徑的阻抗，則受到通孔形狀的影響。

再看下面的疊層結構，假設L1和L4是信號層，L2和L3是對應的參考層，通常L2和L3分別為電源層和地層。

先假設一個簡單的情況，即L2和L3的直流電位相同，所以，這兩個平面可以通過一個通孔2連接起來。

這樣，當信號通過通孔從L1層到達L4層時，其回流可以通過通孔2保持連續性。如下圖所示。

這種情況，和前面的case很接近。不過，因為通孔2有一定的長度，所以信號可能會有一些波動。

也許會有這樣一個疑問，前面的case是從信號通孔的外壁走的，這里怎么不走了?

其實是這樣的，你想象一下啊，前面的case，回流是走在同一層的上下兩個表面，而這兩個表面是連接在一起的;但是，現在回流是走在不同層的上下表面，這兩個表面是不連的。

但是，當L2和L3兩個平面的直流電位不再相同呢，而是一個是電源層，一個是GND層呢。這個時候，顯然不能將L2和L3層用通孔連接起來。

那怎么辦?

回流顯然還是要回去的，但是怎么回去，是個問題。

一呢，通過層間電容回去。

另外一種方法呢，就是采用旁電容，電容的一端通過通孔連接到GND層，另一端通過通孔連接到電源層。此時回流需要突破一系列阻礙，從地平面開始，需通過通孔，焊盤，去耦電容，焊盤，通孔，然后才能到達電源平面。

如下圖所示。

直觀地說，為了最大限度地減小回流路徑的環路面積，旁路電容最優的位置是防止在信號通孔的附近。也就是說，如果只能添加一個旁路電容來抑制電源層和GND層之間的電壓波動，那最優的位置則是在信號孔附近。

口說無憑，可以用下面的仿真，來證明確實是這樣。

仿真模型，如下圖所示。粗看這個圖，可能回想，這是個什么鬼?

所以，靜下心來，配合下面的說明，邊比對，邊看。

仿真模型的疊層結構如下圖所示，S1, POWER,RETURN,S2。頂層和底層是信號層，電源層和GND層是內部層。平面的大小是10cmX10cm。層間距離為30mil，層間介質的相對介電常數為4.0.

跡線a通過通孔2從S1層穿過電源層和GND層，到達S2層，改民為跡線b。

一個50mA的驅動器，用一個理想電流源Is和并聯電阻Rs來表示，一端連接跡線a，另一端通過通孔1與電源層連接。

Rterm位于S2層，一端接跡線b,另一端通過通孔3連接到GND層。

電流源的輸出波形，上升時間為300ps, 持續時間為300ps,下降時間為300ps的脈沖。

現在看明白了沒?要是沒明白的話，就回上去，再看一遍。

現在，對以下三種情況進行仿真：

情況1：沒有旁路電容

情況2：旁路電容放置在開關電流源附近。

情況3：旁路電容放置在通孔2附近，即信號孔附近

旁路電容的容值為100nF, 串聯等效電感ESL為50pH,等效串聯電阻ESR為10mohm。電容器的兩個焊盤相距2mm。

三種情況下，空間噪聲電壓分布的仿真結果如下圖所示。

對于情況1(未安裝旁路電容)，可以清楚地看到，電磁波從通孔2向外傳播，等波到達電路板邊緣時，會反射，從而引起電源平面和地平面之間的諧振效應。

對于情況2(旁路電容安裝在開關電容附近)，空間電壓分布表面，在峰值噪聲產生并傳播到電容位置之前，電容是無效的。(說實話，看了很多遍，我還是沒看懂)

對于情況3(旁路電容安裝在通孔2處)，可以看到，當當平面電壓反彈到正振幅時，電容器的周圍看起來像個凹痕。電容器試圖在通孔2周圍保持一個安靜的區域，有效抑制了噪聲。(這個我也沒看出來，不過從明暗度看的話，電平小點)

上圖是峰值噪聲電壓的概率分布圖，粗看這一幅圖，我還想，作者是不是搞錯了，明顯和描述不符啊。等我再看一遍，然后再讀一遍，再看一遍后，明白了，其縱軸是概率分布值，橫軸是電壓。

所以，可以看到：

對于情況1(未安裝旁路電容)，電源/回流平面上，大部分的峰值噪聲電壓在25-45 mV范圍內。

對于情況2(旁路電容安裝在開關電容附近)，表明在器件附近放置100 nF的旁路電容后，電源/回流平面上的一些區域現在表現出較低的噪聲電壓(約25 mV)。然而，一般來說，噪聲電壓的分布范圍仍然是25 mV到40 mV(但中位數被轉移到大約25 mV)。

對于情況3(旁路電容安裝在通孔2處)，表面對噪聲電壓的硬著顯著提高，噪聲分布大多數在15~25mV之間。

所以，當信號線穿越層，特別是電源和回流參考平面時，應在穿越信號的孔附近放置通孔或旁路電容，以提供回流路徑。任何其他位置都可能導致電源和回流板噪聲電壓的顯著增加、PCB諧振，以及隨后的EMI和信號完整性性能下降。

需要注意的是，在實際電路中(與用于模擬的簡化電路不同)，應在平面上使用多個旁路電容，而不是單個電容，以保持電源和回流平面無諧振。

審核編輯：湯梓紅