摘要：在高速多層PCB上， 鏡像層在噪聲控制方面起著重要作用。良好的鏡像層設計可以降低雜散電感引起的噪聲，有助于控制串擾、反射和電磁干擾。本文結合作者的實際設計重點探討了局部接地層的應用，并通過一個數模混合電路實例給出了一種鏡像層分割法以及一些實踐中需要注意的問題。
現在的高速電路系統大多采用多層板， 而且許多電路系統有多種工作電源， 這就對鏡像層設計尤其是如何處理多個電源(地)層之間的關系提出了嚴格的要求。另外，有些系統也需要在器件層設計特殊的敷銅平面以抑制振蕩器產生的RF能量以及為大功率電源器件提供良好的散熱。
一、鏡像層是PCB內部臨近信號層的一層敷銅平面(電源層、接地層)，鏡像層主要有以下作用：
1、降低回流噪聲和電磁干擾(EMI)。鏡像層可以為信號回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統中有大電流流動時，鏡像層的作用更加明顯。另外，鏡像層的存在減少了信號和回流形成的閉合環的面積，降低了EMI。
2、有助于控制高速數字電路中信號走線之間的串擾問題。串擾由比率D／H決定，D為干擾源與受擾對象之間的距離，H為信號線距鏡像層的高度，通過改變H，可以控制比率D／H， 就可以控制信號線問的串擾問題。
有利于阻抗控制。印制導線的特性阻抗與導線的寬度和導線距鏡像層的高度有關。如果沒有鏡像層，我們很可能無法控制阻抗， 從而無法匹配傳輸線，導致信號的反射。
3、另外， 鏡像層還可以控制輻射向板外的噪聲。當然，光有鏡像層是不足以起到這些作用的， 必須輔以嚴格的設計規則才能達到預期目標。我們可以這樣描述：在高速數字電路中，為了控制噪聲鏡像層是必須的，但光有鏡像層還是不夠的。
二、信號回流的層間跳轉
多層PCB中，每個布線層都應該和一個鏡像層相鄰， 信號的返回電流在其對應的鏡像層上流動。當從源到負載的信號線無法在一個布線層走通時，通常采取的做法是先使信號線連接到一個布線層(例如x軸)，然后再利用通孔將這條信號線連接到另一層(例如Y軸)。那么， 當信號線從一層跳到另一層時， 返回電流也應該跟隨著線路從一層跳轉到另一層。如果這兩個層都是地層， 返回電流可以經連接兩個層的通孔或器件的接地管腳實現跳轉。
如果一個是電源層另一個是地層， 則返回電流在這兩個層之間跳轉的唯一機會就是放置去耦電容的位置。假若跳轉點附近沒有去耦電容或者連接地層的通孔， 返回電流就必須繞到遠處實現跳轉， 結果使得返回電流耦合到其他電路，引起串擾和電磁干擾問題。
所以PCB設計時，應盡量使層間跳轉在臨近器件的接地管腳或者去耦電容附近進行，如果無法做到這一點，可以通過在跳轉點附近放置地通孔(返回電流在兩地層跳轉)或者旁路電容(電源層和地層之間跳轉)來實現返回電流的跳轉。
三．鏡像層的分割
使用多層PCB的結構時，有時需要在鏡像層上產生一定寬度的無銅片區域將一個完整的鏡像層隔裂為相互獨立的幾部分，這就是鏡像層分割。鏡像層分割一般用于防止噪聲進入敏感電路以及不同參考電壓之間的隔離， 例如阻止數字噪聲進入模擬部分、音頻部分、I／O區域，5V與3.3V電源電壓的隔離。鏡像層分割有完全分割和不完全分割兩種， 完全分割指的是分割后的電源層之間、地層之間完全隔絕，不完全分割是指電源層之間完全隔絕而地層通過“橋”相連（如各個模塊的地網絡名不同最后通過電阻、磁珠連到總地）。對鏡像層采取完全分割或不完全分割取決于這些被分隔的平面間是否有信號相連。
3.1鏡像層分割實例
圖1是某測試平臺中涉及的數模混合電路部分的鏡像層設計。視頻模擬輸入經過AD變換后傳送給FPGA處理，然后作DA變換輸出，AD和DA部分使用獨立的電源器件供電。在這個板卡上大部分都是數字器件，模擬器件僅占小部分。但是它們都是比較關鍵的部分，如果它們的正常工作受到影響將對整個系統的性能造成極大的破壞作用，因此對這些部分的處理是非常關鍵的。我們希望數字部分的噪聲不會進入模擬部分，但是AD和DA轉換器都有信號連到數字部分的FPGA上，為了不影響這些相連信號的回流，我們將數字電源和模擬電源完全隔絕，而數字地和模擬地采取不完全分割，使數字部分對模擬部分的影響降到最低。所有由數字部分到模擬部分的線路都必須經過橋，橋的開口大小應該
剛好滿足所需導線通過的要求，這樣數據信號的回流就可以通過橋直接返回，避免了繞圈尋求返回路徑而造成對其它信號的干擾。此平臺的PCB設計中．AD部分和DA部分的地也是隔離的。
參考資料[2]給出了鏡像層完全分割的實例。
3.2像層分割應注意的幾個問題
3.2.1隔離層重疊
多層PCB中，通常會通過鏡像層分割來隔離不同的電源。一般情況下，與這些電源相對比的地層也是相互隔離的，即每個電源都有自己獨立的參考層。PCB設計時必須保證不發生隔離層重疊的情況。舉個例子，絕大部分多層PCB中，模擬部分和數字部分的電源和地層都是分離的，PCB設計的時候不能讓模擬電源層和數字地層在空間上重疊，如圖2所示。如果出現重疊的隔離層，就會在重疊區域形成一個小的平板電容c1，這個電容會讓RF能量從一個層傳輸到另一個隔離的、靜止的和獨立的層，降低隔離的有效性。
3.2.2去耦電容放置
為了濾除高速器件產生的高頻噪聲，電路板上有很多的去耦電容。如果在PCB上有鏡像層分割的話，布線時可能會出現去耦電容的地管腳并不是與其相對應的地層而是同別的參考地層相連的情況（就是說GND的電容放到GNDA區域了，布局必須保證電容放到與此電容地網絡對應的區域上）。這種錯誤可能經常會發生，其結果同隔離層重疊一樣，導致噪聲從一層耦合到另一層，并且解決起來比較麻煩，所以必須在設計階段避免。仍以數模混合電路來舉例，模擬電源通過鐵氧體磁珠l1從數字部分引入，c1為數字部分的去耦電容。圖3a中c1的電源管腳同數字電源相連而地管腳同模擬地相連，為錯誤的連接方式，導致數字高頻噪聲耦合到比較敏感的模擬部分，圖3b為正確的去耦電容連接方式。
3.2.3單點接地
當不同電源的參考層連接到一起時，必須保證單點連接。仍以數模混合電路舉例，我們的電路板分為數字部分和模擬部分，而且數字地和模擬地有兩個或兩個以上連接點，那么噪聲信號很可能通過這兩個連接點在這兩參考層之間形成循環，這就是我們經常提到的“地環路”。地環路可以引起噪聲、EMI，能量的損耗以及散熱問題。地環路的解決辦法非常簡單，只要參考層之間僅有一個連接點，無法形成環路即可。
四、局部接地層
局部接地層屬于鏡像層的一部分，是置于PCB器件(頂)層上的一塊敷銅，與PCB內部接地層直接相連，用于捕獲一些關鍵芯片(如振蕩器)內部產生的RF磁通量或者用作電源散熱。通常芯片如果需要局部接地層，芯片制造商會在數據手冊中給出一些比較好的建議。
為了得到良好的性能，振蕩器、晶振和時鐘支撐電路都應該被安裝在這樣一個單獨的局部接地層上。這是因為：
如果振蕩器的封裝是一個金屬殼，由于振蕩器類型的不同，封裝內部產生的射頻電流可能很大，以至于它的接地管腳無法有效地將該大電流(為管腳引線電感)以低損耗方式引到地，于是這個金屬盒變成了一個單極性天線。 如果振蕩器是表面安裝器件，上述情況會變得更糟，因為SMT封裝通常是塑料，阻止了RF電流被引向接地點，封裝內部產生的RF電流能夠輻射到自由空間并耦合到其它器件。
振蕩器一般都會驅動時鐘緩沖器，這種緩沖器通常是超高速、快邊緣速率的器件，會產生大量RF電流， 可能導致電路功能失效。
如果在振蕩器和時鐘電路下安裝局部接地層，就可以提供一個鏡像層，捕獲振蕩器內部和相關電路產生的RF能量， 這樣就減少了RF輻射。圖4是一個局部接地層的例子。局部接地層位于PCB頂層上，通過振蕩器和時鐘驅動器件的地管腳以及一些地通孔與內部接地層直接相連。為了給振蕩器提供一個較為穩定可靠的電源， 進入振蕩器的電壓使用鐵氧體磁珠l1和電容c2進行濾波。鐵氧體磁珠l1本質上是一個大的RF電阻，用來阻止外部的RF能量進入振蕩器，而電容c2為RF電流提供了另外一條流向地平面的低阻抗通道。
五、20-H規則
20-H規則是一個經驗規則， 由W.Michael King提出，可以表述如下：在高密度多層PCB中，為了減小電路板向自由空間輻射的電磁能量， 電源層的物理尺寸應該比地層的物理尺寸小20H，其中H是二者之間的距離。圖6中左邊部分為沒有采用任何特殊設計的電源/地平面，PCB板邊緣的RF輻射很強，可能影響周邊電路的功能而右邊部分為將電源平面尺寸降低X-H后PCB板邊緣的RF輻射情況， 可以看出地平 面吸收了大量的磁力線， 降低了RF輻射能量。實驗發現， 大約從10-H開始RF輻射強度開始下降；20-H時，地平面可以吸收百分之七十的磁通邊界；當達到100-H時，輻射強度下降百分之九十八。Mark I.Montrose通過仿真分別對比了0-H、10-H和20-H規則下從PCB邊緣輻射的電場強度E和磁場強度H，進一步驗證了采用20-H規則后地平面可以吸收大量的PCB邊緣輻射能量這一結論。 且發現電源與地平面之間距離越小，20-H規則的效率越高。另外， 應用20-H規則還可以提高PCB板的自諧振頻率。
值得注意的是，20-H規則并不是適用于所有的PCB結構。20-H規則是否有效取決于電路板的工作頻率和PCB上電源/地平面的大小以及二者之間的距離。我們知道，電源/地平面的大小以及二者之間的距離決定了PCB板的自諧振頻率。更進一步的研究表明：如果電路板工作在自諧振頻率的任意諧波頻率時，20-H規則不再起作用，擴展的地平面不再吸收輻射能量， 更糟的是還會產生大量的輻射能量。所以在實際的高速電路中， 需要根據不同的情況決定是否應陔使用20-H規則。
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