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直角/差分/蛇形，三種特殊的PCB走線技巧

發(fā)布時間：2018-04-09點(diǎn)擊數(shù)：載入中...

布線（Layout）是PCB設(shè)計(jì)工程師最基本的工作技能之一。走線的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能，大多數(shù)高速的設(shè)計(jì)理論也要最終經(jīng)過Layout得以實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，由此可見，布線在高速PCB設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。下面將針對實(shí)際布線中可能遇到的一些情況，分析其合理性，并給出一些比較優(yōu)化的走線策略。

主要從直角走線，差分走線，蛇形線等三個方面來闡述。

1．直角走線

直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會對信號傳輸產(chǎn)生多大的影響呢？從原理上說，直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。其實(shí)不光是直角走線，頓角，銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況。

直角走線的對信號的影響就是主要體現(xiàn)在三個方面：

一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時間；
二是阻抗不連續(xù)會造成信號的反射；
三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。

傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：

C=61W(Er)1/2/Z0

在上式中，C就是指拐角的等效電容（單位：pF），W指走線的寬度（單位：inch），εr指介質(zhì)的介電常數(shù)，Z0就是傳輸線的特征阻抗。舉個例子，對于一個4Mils的50歐姆傳輸線（εr為4.3）來說，一個直角帶來的電容量大概為0.0101pF，進(jìn)而可以估算由此引起的上升時間變化量：

T10-90%=2.2*C*Z0/2=2.2*0.0101*50/2=0.556ps

通過計(jì)算可以看出，直角走線帶來的電容效應(yīng)是極其微小的。

由于直角走線的線寬增加，該處的阻抗將減小，于是會產(chǎn)生一定的信號反射現(xiàn)象，我們可以根據(jù)傳輸線章節(jié)中提到的阻抗計(jì)算公式來算出線寬增加后的等效阻抗，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算反射系數(shù)：

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

一般直角走線導(dǎo)致的阻抗變化在7%-20%之間，因而反射系數(shù)最大為0.1左右。而且，從下圖可以看到，在W/2線長的時間內(nèi)傳輸線阻抗變化到最小，再經(jīng)過W/2時間又恢復(fù)到正常的阻抗，整個發(fā)生阻抗變化的時間極短，往往在10ps之內(nèi)，這樣快而且微小的變化對一般的信號傳輸來說幾乎是可以忽略的。

很多人對直角走線都有這樣的理解，認(rèn)為尖端容易發(fā)射或接收電磁波，產(chǎn)生EMI，這也成為許多人認(rèn)為不能直角走線的理由之一。然而很多實(shí)際測試的結(jié)果顯示，直角走線并不會比直線產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能，測試水平制約了測試的精確性，但至少說明了一個問題，直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測量誤差。

總的說來，直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的應(yīng)用中，其產(chǎn)生的任何諸如電容，反射，EMI等效應(yīng)在TDR測試中幾乎體現(xiàn)不出來，高速PCB設(shè)計(jì)工程師的重點(diǎn)還是應(yīng)該放在布局，電源/地設(shè)計(jì)，走線設(shè)計(jì)，過孔等其他方面。當(dāng)然，盡管直角走線帶來的影響不是很嚴(yán)重，但并不是說我們以后都可以走直角線，注意細(xì)節(jié)是每個優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì)，而且，隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展，PCB工程師處理的信號頻率也會不斷提高，到10GHz以上的RF設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這些小小的直角都可能成為高速問題的重點(diǎn)對象。

2．差分走線

差分信號（DifferentialSignal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，什么另它這么倍受青睞呢？在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢？帶著這兩個問題，我們進(jìn)行下一部分的討論。

何為差分信號？通俗地說，就是驅(qū)動端發(fā)送兩個等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)"0"還是"1"。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。

差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：

a.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

b.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

c.時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點(diǎn)，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS（lowvoltagedifferentialsignaling）就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。

對于PCB工程師來說，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢。也許只要是接觸過Layout的人都會了解差分走線的一般要求，那就是"等長、等距"。等長是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性，減少共模分量；等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射。"盡量靠近原則"有時候也是差分走線的要求之一。但所有這些規(guī)則都不是用來生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號傳輸?shù)谋举|(zhì)。