在PCB布局軟件中進行差分對走線是一個棘手的過程。幸運的是，KiCad有一些工具可以幫助我們完成這個過程。在本教程中，我們將帶領您完成計算差分阻抗的過程，并基于此通過一個項目創建一對USB數據線。

先做一些研究

在對任何高速信號總線或差分對走線進行布線之前，最好對這些信號的要求做一些研究。

以USB2.0高速總線為例，我們可以先下載USB2.0規范作為參考。這個規范的內容非常多，所以僅作參考，同時閱讀其它一些易于迅速理解的文檔。比如下面一些文章可以幫助你理解如何對USB2.0高速數據線進行布線：

https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an0046-efm32-usb-hardware-design-guidelines.pdf

https://www.ti.com/lit/an/slla414/slla414.pdf？ts=1605978923732&ref_url=https://www.google.com/

https://octavosystems.com/app_notes/osd335x-design-tutorial/osd335x-lesson-2-minimal-linux-boot/osd335x-lesson-2-usb-circuitry/

此外，這里有一些工程師關于做USB數據線走線的不錯的討論：

https://electronics.stackexchange.com/questions/325721/do-usb-data-wires-d-d-have-90-ohm-differential-impedance-and-single-ended-45

https://electronics.stackexchange.com/questions/41851/how-critical-is-the-layout-of-usb-data-lines-how-does-my-layout-look

https://electronics.stackexchange.com/questions/311310/understanding-usb-differential-and-single-ended-impedance-requirements

https://electronics.stackexchange.com/questions/446692/routing-long-usb-2-0-high-speed-traces-microstrip-or-stripline

通過這些文章的閱讀，我們可以確定一些要求：

數據線之間的差分阻抗應為90 Ω +/- 15%。

每條數據線的單端阻抗（相對于GND）應為45 Ω +/- 15。

數據線總長度差不大于0.150英寸（3.81 mm）。換句話說，盡量保持D+和D-的長度不變。

數據線應盡可能在不間斷的接地面上布線。

在可能的地方避免做90°直角走線（包括過孔）

避免在走線上留下不連接任何地方的分叉

確定PCB的特性

去你想要制板的PCB制造商的網站，找到你計劃生產的電路板的特性說明。比如下面是來自一些快板廠的網站上的典型參數：

1盎司銅（走線為1.4 mil或0.036 mm厚）

1.6mm的板厚

FR4材料

2層板

6 mil （0.1524 mm）最小走線寬度

6 mil （0.1524 mm）最小走線間距

注意，這是一個2層板！ 在2層1.6毫米厚的板上布線差分對通常是相當困難的，因為數據線需要很寬才能達到所需的阻抗。使用更薄的板（例如銅層之間0.8毫米厚的介質材料），可以使用更窄的走線用于差分對信號。通常，你會發現4層以上的PCB板可以在銅層之間提供較薄的介電材料（如FR4）。

KiCad中的Net Name命名

在創建原理圖時，必須使用以下后綴之一來命名差分對信號的Net Name：

+/-（例如D+和D-）

_P/_N（例如D_P和D_N）

KiCad在PCB布線使用差分對走線工具時會自動查找這些后綴對。

使用KiCad阻抗計算器

KiCad在項目管理器面板中有一個內置的阻抗計算器，在項目管理器面板中，選擇：工具》計算器工具，選擇“傳輸線路”選項。

傳輸線計算器選項卡為計算阻抗提供了幾個選項。我們想為差分對使用左側的“耦合微帶線”選項。開始填寫基板參數部分。

注意，你可以點擊“…按鈕的一些參數得到彈出窗口選擇您的材料。對于這些，我們使用銅作為導體，FR4作為介質材料。

Er（介電常數）：4.5

TanD（介電損耗系數）： 0.02

Rho（導體的特性電阻）：1.72e-08

H（走線距離底部接地平面的距離）：1.6 mm（板厚）

H_t（走線和頂部地平面之間的距離）：10000毫米（我們使用最外層進行查分對走線，這個參數可以設置比較大甚至近似無窮，如果你在兩個地平面之間走線，可以設置這個參數為FR4厚度）

T（銅厚度）：0.03556 mm（對應1盎司銅）

Rough（表面粗糙度）：0（我們的計算不需要）

mu Rel C（導體相對磁導率）：1（計算中不需要）

在物理參數部分，我們輸入所需的走線設置。我們在開始的時候一般都會設置差分對兩線之間的距離盡可能小，這樣也會讓走線更窄，后面會根據需要修改走線的寬度（W），直到達到所需的差分阻抗。注意，走線的長度（L）并不重要。

開始的差分線之間的間距為0.1524 mm （一些快板廠需要的最小值），并調整走線寬度（W），直到你得到一個Zodd約45 Ω。注意，Zdiff（差分阻抗）等于2 * Zodd，因此Zodd為45 Ω給出了Zdiff為90 Ω。按下“分析”按鈕來計算電氣參數。

我們會發現，0.77毫米的走線寬度可以讓差分阻抗非常接近90 Ω。

PCB板的設置

打開PCB布局工具（pcbnew），進入文件》板設置。確保您的設計規則》約束符合您的制造商可以生產的。然后，前往項目》網絡類。

用您的差分對名稱添加一個新的網絡類（我給我的名稱為“USB Data”）。將間隙設置為制造商的最小值，并將走線寬度（單根走線）設置為與默認類的寬度相同。改變DP寬度為我們計算的線寬（0.77 mm），改變DP間隙為我們計算的間距（0.1524 mm）。

在右下角，高亮兩個差分對網名。在分配網絡類，選擇您的差分對網絡類名稱（在此為“USB Data”），并單擊分配到選定的網。現在，你的差分對線將遵循我們剛剛創建的網絡規則。

差分對走線

點擊走線工具（或按“x”鍵）進入走線選擇模式。在本例中，由于封裝的焊盤非常小，我們需要在使用差分對工具之前先離開焊盤。點擊差分對線中的其中一個。

您可能會發現（如果DP寬度很大，就像這個2層板的情況一樣），KiCad不希望對線路進行走線。所以，在走線工具仍然激活的情況下，右鍵單擊》選擇通過/走線寬度》使用自定義值…

再次左鍵單擊以開始走線跟蹤。盡量從焊盤均勻地扇形離開，避免90°彎曲。

單擊“走線》差分對走線”。單擊其中一個走線，工具將自動開始使用指定的參數來完成這兩個走線。

如果你的走線距離太遠，你應該將你的“扇形”軌跡移近一點，因為你需要差分對盡可能保持準確的分離距離。您還可以讓差分對開始向另一個方向移動，以允許工具匹配差分對線之間的間距。

繼續在元件之間進行走線。注意，如果你需要在某些地方停下來（比如，上拉/下拉電阻），你應該盡量通過這些焊盤，避免分叉。

走線應盡可能地直，避免不必要的轉彎。有時候，你需要走線到板的外部邊緣的連接器，所以不得不使用45°拐彎來逐漸彎曲。

同樣，如果差分對的寬度相對于終端元器件的焊盤過大，可以使用具有自定義寬度的單走線，將導線引入到焊盤上，但要盡量避免這種情況。

走線長度盡可能一致

對于高速總線，您幾乎總是希望總線上的每一個數據位在同一時間到達目的地（或盡可能接近同一時間）。如果走線的長度不同，每個數據位到達的時間也可能不同！ 這就是所謂的“位偏差”，可能會對通信總線造成嚴重破壞。

通過選擇工具，選擇差分對線中的其中一根，查看一下它的總長度。

點擊另一根線，從第一個網減去那個網的長度。對我來說，我得到21.1484毫米- 18.0616毫米= 3.0868毫米。這在USB數據線的允許偏差3.81 mm范圍內，所以我應該沒問題。

注意： 我還沒有測試這個板，我沒有一個足夠好的示波器來驗證我的走線是否良好。如果您有一個可測量480MHz的示波器，可以使用“眼圖”或“眼模式”來進行測試。

要修復不匹配的長度，可以使用差分對的走線》調整偏差工具。啟動工具，點擊凈長度較短的走線段。右鍵單擊并選擇長度調優設置…打開調優選項。

在大多數情況下，你會希望偏差為0。請隨意調整其他參數，以滿足您的PCB制造要求。單擊OK。

沿著您希望調優的走線移動鼠標，當工具試圖找出如何增加較短的軌跡的長度時，您應該會看到蛇形路徑出現。

注意：在上面的例子中，我假設我使用0.8毫米厚的PCB與0.003英寸（0.0762毫米）的線間距。這使得我可以在演示中使用更薄的數據線，因為工具與我實際電路板上的超寬走線不兼容。

你通常想要蛇形部分被添加到更接近不匹配發生的地方（對我來說，這是更接近Hirose連接器，因為路徑通常更直靠近USB連接器）。工具還會告訴你添加的東西是否修復了偏差。

單擊“接受路徑修改”。

注意，如果您正在與一個大型的并行總線（超過2數據行），您可以使用“走線”》“調整單走線長度”來添加蛇形走線到較短的走線，使這些走線的最終長度與最長的數據線長度一致。

編輯：jq