Trong lĩnh vực điện-điện tử, các kỹ sư thường tập trung vào đường tín hiệu khi thiết kế một bảng mạch in (Printed Circuit Board - PCB). Một số đặc tính của đường tín hiệu mà họ thường chú ý bao gồm độ rộng đường mạch, trở kháng đặc tính, chiều dài kết nối và khoảng cách giữa các đường dẫn. Các thông số này thường rất quan trọng để đảm bảo tín hiệu đến đích với chất lượng tốt, đặc biệt với tín hiệu có tốc độ cao. Đối với đường hồi dòng điện, đây là một yếu tố có thể quyết định sự ổn định của toàn bộ hệ thống nhưng lại thường ít được chú ý đến. 

Bên cạnh đó, một đường tín hiệu thường sẽ không hoạt động một cách độc lập. Trong đó, dòng điện trong mạch cần có một đường khép kín để quay trở về nguồn khi tín hiệu truyền từ bộ phát đến bộ thu. Dòng tín hiệu thường đi trên một lớp đồng trong các thiết kế PCB nhiều lớp, trong khi dòng hồi thường có xu hướng tập trung tên mặt phẳng tham chiếu ở gần đường tín hiệu đó.

Dòng điện có thể phân bố theo một dải rộng tùy theo điện trở và hình học của đường dẫn ở tần số cao. Trong khi đó, dòng hồi có xu hướng đi theo đường có tổng trở kháng thấp nhất do ảnh hưởng của điện cảm ở tần số cao và đường này thường nằm ngay bên dưới đường tín hiệu trên mặt phẳng tham chiếu liền kề. Việc này đã mang lại một số lợi ích như giảm diện tích vòng dây điện, hạn chế điện cảm ký sinh hay giảm phát xạ điện từ.

Vai trò của mặt phẳng tham chiếu liên tục đối với dòng hồi

Để làm rõ vai trò của mặt phẳng tham chiếu, chúng ta cần xem xét đồng thời đường tín hiệu và đường hồi như hai thành phần trong cùng một hệ thống truyền năng lượng. Trong đó, trường điện từ sẽ được hình thành xung quanh đường tín hiệu và đường hồi khi một tín hiệu biến thiên nhanh truyền trên PCB. Trong cấu trúc microstrip hay stripline thì việc định hình trường điện từ và đặc tính truyền dẫn bị ảnh hưởng lớn bởi mặt phẳng tham chiếu gần đường tín hiệu.

Dòng hồi cũng có thể đi ngay dưới đường tín hiệu với diện tích vòng dòng nhỏ nếu mặt phẳng tham chiếu là một vùng đồng hồ liên tục. Chính nhờ cấu trúc này mà điện cảm phân bố được duy trì và trở kháng dọc theo đường truyền cũng tương đối ổn định. Trái lại, dòng hồi không thể đi xuyên qua phần không có đồng nếu mặt phẳng tham chiếu có khe hở. Khi đó, dòng hồi cần phải tìm đường vòng qua mép khe, có thể đi qua một kết nối khác hay chuyển sang một mặt phẳng khác thông qua cấu trúc liên kết phù hợp. Từ đó, đường hồi lúc này có thể dài hơn, diện tích vòng dòng và điện cảm ký sinh sẽ tăng lên.

Quá trình đường mạch đi qua khe phân tách

Khi đi qua khe phân tách, đặc tính trở kháng có thể bị gián đoạn, diện tích vòng dòng và phát xạ điện từ sẽ tăng lên, hay các vấn đề về nhiễu xuyên tâm và sai lệch thời gian. Đối với đặc tính của trở kháng, chúng phụ thuộc vào các yếu tố như hình học đường mạch, vật liệu điện môi và cấu trúc mặt phẳng tham chiếu. Ngoài ra, diện tích vòng dòng điện có thể tăng lên khi dòng hồi phải đi qua khe phân tách. Tại đó, điện cảm sẽ cao hơn khi dòng điện lớn hơn, từ đó chúng sẽ có khả năng tạo ra trường điện từ mạnh hơn ở khu vực xung quanh. Đối với vấn đề nhiễu xuyên tâm và sai lệch thời gian, trường điện từ quanh đường tín hiệu có thể bị thay đổi bởi đường hồi dòng bị gián đoạn, việc này từ đó sẽ ảnh hưởng đến mức độ ghép giữa các đường mạch.

Duy trì tính liên tục của đường hồi thông qua cách thiết kế PCB

Hiện nay, các kỹ sư đang thiết kế PCB để duy trì tính liên tục của đường hồi thông qua một số phương pháp như ưu tiên mặt phẳng tham chiếu liên, tạo đường hồi phù hợp hay kiểm tra các công cụ mô phỏng và đo lường. Đối với việc ưu tiên mặt phẳng tham chiếu liên, đây là giải pháp để đường tín hiệu tốc độ cao đi qua khe hở trên mặt phẳng chính. Phương pháp này được coi là phương pháp đầu tiên và mang lại tính hiệu quả cao nhất. Các kỹ sư nên thiết kế để đặt đường truyền quan trọng trên lớp tín hiệu có mặt phẳng ground khi bố trí stack-up. Tuy nhiên, việc lựa chọn lớp tín hiệu cần được thực hiện đồng thời với thiết kế mặt phẳng tham chiếu đối với PCB nhiều lớp. Ngoài ra, các cùng tham chiếu cũng cần thay đổi lớp tín hiệu hoặc chuyển đổi với nhau. Điều này là do dòng hồi cùng cần có đường chuyển tiếp tương ứng để duy trì vòng dòng nhỏ khi một đường tín hiệu chuyển lớp qua via. Với trường hợp tín hiệu tham chiếu ground ở cả hai lớp, dòng hồi chuyển giữa các mặt phẳng thông qua việc các via ground được bố trí gần với tín hiệu. Đối với việc kiểm tra bằng công cụ mô phỏng và đo đường, đây được xem là phương pháp bổ trợ lẫn nhau. Trong khi mô phỏng giúp xác định được nguyên nhân tiềm năng trước khi sản xuất thì đo thực tế lại có thể xác nhận được hành vi của toàn bộ hệ thống. Các hành vi này thường bao gồm các ảnh hưởng từ các phần như đầu nối, linh kiện, vỏ thiết bị và cách lắp đặt.

Các phần cần chú ý khi thiết kế PCB tốc độ cao

Trong quá trình thiết kế PCB tốc độ cao, các kỹ sư cần chú ý đến nhiều vấn đề khác nhau. Một số câu hỏi đầu tiên mà họ cần đặt ra như nguồn gốc của tín hiệu, hướng đi của dòng hồi, tính liên tục của mặt phẳng tham chiếu hay quá trình tín hiệu chuyển lớp. Điều này là do một tín hiệu có thể bị chậm khi xuất hiện một khe hở nhỏ trên mặt phẳng ground, từ đó tín hiệu có thời gian sườn nhanh khi có hiện tượng gián đoạn điện từ. Chính vì vậy, một trong những nền tảng của thiết kế toàn vẹn tín hiệu và tương thích điện từ chính là tính liên tục của đường hồi. Các kỹ sư có thể giảm được phản xạ, hạn chế phát xạ hay cải thiện độ tin cậy của hệ thống thông qua việc duy trì mặt phẳng tham chiếu phù hợp.