《PCB Layout中的走线策略》.pdf

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PCB Layout 中的走线策略 布线(Layout)是PCB 设计工程师最基本的工作技能之一。走线的好 坏将直接影响到整个系统的性能,大多数高速的设计理论也要最终经 过Layout 得以实现并验证,由此可见,布线在高速PCB 设计中是至 关重要的。下面将针对实际布线中可能遇到的一些情况,分析其合理 性,并给出一些比较优化的走线策略。主要从直角走线,差分走线, 蛇形线等三个方面来阐述。 1. 直角走线 直角走线一般是PCB 布线中要求尽量避免的情况,也几乎成为衡量布 线好坏的标准之一,那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响 呢?从原理上说,直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的 不连续。其实不光是直角走线,顿角,锐角走线都可能会造成阻抗变 化的情况。 直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面:一 是拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;二是阻抗不 连续会造成信号的反射;三是直角尖端产生的 EMI。 传输线的直角带来的寄生电容可以由下面这个经验公式来计算: C=61W(Er)1/2/Z0 在上式中,C 就是指拐角的等效电容 (单位:pF),W 指走线的宽度 (单位:inch),εr 指介质的介电常数,Z0 就是传输线的特征阻抗。 举个例子,对于一个4Mils的50 欧姆传输线(εr 为 4.3)来说,一 个直角带来的电容量大概为 0.0101pF,进而可以估算由此引起的上 升时间变化量: T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps 通过计算可以看出,直角走线带来的电容效应是极其微小的。 由于直角走线的线宽增加,该处的阻抗将减小,于是会产生一定的信 号反射现象,我们可以根据传输线章节中提到的阻抗计算公式来算出 线宽增加后的等效阻抗,然后根据经验公式计算反射系数: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0),一般直角走线导致的阻抗变化在 7%-20%之间, 因而反射系数最大为0.1 左右。而且,从下图可以看到,在W/2 线长 的时间内传输线阻抗变化到最小,再经过W/2 时间又恢复到正常的阻 抗,整个发生阻抗变化的时间极短,往往在10ps 之内,这样 快而且微小的变化对一般的信号传输来说几乎是可以忽略的。 很多人对直角走线都有这样的理解,认为尖端容易发射或接收电磁 波,产生 EMI,这也成为许多人认为不能直角走线的理由之一。然而 很多实际测试的结果显示,直角走线并不会比直线产生很明显的EMI。 也许目前的仪器性能,测试水平制约了测试的精确性,但至少说明了 一个问题,直角走线的辐射已经小于仪器本身的测量误差。 总的说来,直角走线并不是想象中的那么可怕。至少在 GHz 以下的应 用中,其产生的任何诸如电容,反射,EMI 等效应在TDR 测试中几乎 体现不出来,高速 PCB 设计工程师的重点还是应该放在布局,电源/ 地设计,走线设计,过孔等其他方面。当然,尽管直角走线带来的影 响不是很严重,但并不是说我们以后都可以走直角线,注意细节是每 个优秀工程师必备的基本素质,而且,随着数字电路的飞速发展,PCB 工程师处理的信号频率也会不断提高,到10GHz 以上的 RF 设计领域, 这些小小的直角都可能成为高速问题的重点对象。 2. 差分走线 差分信号(Differential Signal)在高速电路设计中的应用越来越 广泛,电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计,什么另它这 么倍受青睐呢?在 PCB 设计中又如何能保证其良好的性能呢?带着 这两个问题,我们进行下一部分的讨论。 何为差分信号?通俗地说, 就是驱动端发送两个等值、反相的信号,接收端通过比较这两个电压 的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走 线就称为差分走线。 差分信号和普通的单端信号走线相比,最明显的优势体现在以下三个 方面: a.抗干扰能力强,因为两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪 声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只是两信 号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。 b.能有效抑制EMI,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对 外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能 量越少。 c.时序定位精确,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点, 而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度 的影响小,能降低时 序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS (low voltage differ

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