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《PCB Layout中的走线策略》.pdf
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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