PCB設(shè)計(jì),PCB Design

關(guān)鍵字：PCB設(shè)計(jì),PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),蛇形走線,差分走線

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(gè)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(guò)layout得以實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，由此可見(jiàn)，布線在高速pcb設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。下面將針對(duì)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(gè)方面來(lái)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(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響呢？從原理上說(shuō)，直角走線會(huì)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(huì)造成阻抗變化的情況。
直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)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(shí)間；二是阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)的反射；三是直角尖端產(chǎn)生的emi。
傳輸線的直角帶來(lái)的寄生電容可以由下面這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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(gè)例子，對(duì)于一個(gè)4mils的50歐姆傳輸線（εr為4.3）來(lái)說(shuō)，一個(gè)直角帶來(lái)的電容量大概為0.0101pf，進(jìn)而可以估算由此引起的上升時(shí)間變化量：
t10-90%=2.2*c*z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通過(guò)計(jì)算可以看出，直角走線帶來(lái)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(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)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(lái)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)傳輸線阻抗變化到最小，再經(jīng)過(guò)w/2時(shí)間又恢復(fù)到正常的阻抗，整個(gè)發(fā)生阻抗變化的時(shí)間極短，往往在10ps之內(nèi)，這樣快而且微小的變化對(duì)一般的信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)幾乎是可以忽略的。
很多人對(duì)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(cè)試的結(jié)果顯示，直角走線并不會(huì)比直線產(chǎn)生很明顯的emi。也許目前的儀器性能，測(cè)試水平制約了測(cè)試的精確性，但至少說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測(cè)量誤差。
總的說(shuō)來(lái)，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(cè)試中幾乎體現(xiàn)不出來(lái)，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(guò)孔等其他方面。當(dāng)然，盡管直角走線帶來(lái)的影響不是很?chē)?yán)重，但并不是說(shuō)我們以后都可以走直角線，注意細(xì)節(jié)是每個(gè)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(hào)頻率也會(huì)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(wèn)題的重點(diǎn)對(duì)象。

2． 差分走線
差分信號(hào)（differential signal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)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(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行下一部分的討論。
何為差分信號(hào)？通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱(chēng)為差分走線。
差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)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(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)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(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)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(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的lvds（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。
對(duì)于pcb工程師來(lái)說(shuō)，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(shì)。也許只要是接觸過(guò)layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長(zhǎng)、等距”。等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)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(shí)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(lái)生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號(hào)傳輸?shù)谋举|(zhì)。下面重點(diǎn)討論一下pcb差分信號(hào)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)。