再说一说信号的返回电流

原文授权自：信号完整性学习之路

为了验证信号不同频率分量返回电流的电流密度分布情况如何，用ansys的软件进行了仿真，在仿真的软件，可设置不同求解频率

仿真统计了三种不同的频率（100MHz、500MHz、1GHz）返回电流分布情况，如下所示：

100MHz返回电流分布情况：

500MHz返回电流分布情况：

1GHz返回电流分布情况：

由上面的三种电流分布情况，总结一下：

频率越高，返回电流越靠近表层

信号线下方的返回电流密度最大

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三种电流分布情况说明一种现象：趋肤效应 (skin effect)。所谓趋肤效应是指当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，随着频率的增加，电流更多集中在导体外表的薄层，也就是说越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小，结果使导体的电阻交流增加，使它的损耗功率也增加。

趋肤深度的公式：

默认为体电阻率是一个常数，跟频率无关，那么可以简化趋肤深度公式：

频率在1GHz的时候，趋肤深度大约是2.1um。

数字信号是包含各种频谱分量的，不同频率分量在信号路径和返回路径说感受的阻力是不同的，这不仅仅是趋肤深度问题，还关系到损耗的问题。低频分量，电流整个均匀分布，以导体损耗为主，高频分量，电流趋于表面密度变大，以介质损耗为主。

1MHz电流分布情况，如下图所示，说明电流贯穿整个导体，已不受趋肤深度的影响。

返回路径足够宽，低频直流部分电流分布在横截面上比较均匀，返回路径电阻比信号路径电阻小很多。这时候传输线的直流电阻，示意图和公式如下：

信号在有损传输线的损耗是导体损耗和介质损耗之和。

导体损耗公式：

w表示传输线宽度，Z0表示传输线特性阻抗，f表示正弦波频率分量（单位为GHz）

这里面需要注意的是，导体损耗除了和线宽、阻抗还有频率分量有关，在实际产品设计中，还需要注意铜箔的粗糙度。

下图为仿真组件对铜箔粗糙度的设置：

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叠层设计中，使用的标准铜箔的粗糙度一般为8 um左右，超低损耗铜箔（HVLP）一般为1um左右，仿真得出粗糙度引起损耗的差别，如下图所示：

介质损耗公式：

以上两个公式，说的是单位长度（1 inch）的导体损耗和介质损耗引起的衰减。

搭建相关的仿真链路，可直观地看出损耗就是导体损耗和介质损耗之和。

下面动图可以更直观看到信号的返回电流流动情况：

总结一下信号的返回电流：

低频，返回电流是往最低电阻的路径流动

高频，返回电流是往最低阻抗的路径回流，阻抗主要成分是感抗

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