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《PCB布线的直角走线、差分走线和蛇形线基础理论》.pdf
PCB 布线的直角走线、差分走线和蛇形线基础理论
2009-04-20 10:52 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)[size=1]1/2[/size]/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
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