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布線(layout)是pcb設計工程師基本的工作技能之一。走線的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能,大多數(shù)高速的設計理論也要終經(jīng)過layout得以實現(xiàn)并驗證,由此可見,布線在高速pcb設計中是至關重要的。下面將針對實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,蛇形線等三個方面來闡述。
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準之一,那么直角走線究竟會對信號傳輸產(chǎn)生多大的影響呢?從原理上說,直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化,造成阻抗的不連續(xù)。其實不光是直角走線,頓角,銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況。
直角走線的對信號的影響就是主要體現(xiàn)在三個方面:一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;二是阻抗不連續(xù)會造成信號的反射;三是直角尖端產(chǎn)生的emi。
傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經(jīng)驗公式來計算:
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。舉個例子,對于一個4mils的50歐姆傳輸線(εr為4.3)來說,一個直角帶來的電容量大概為0.0101pf,進而可以估算由此引起的上升時間變化量:
t10-90%=2.2*c*z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通過計算可以看出,直角走線帶來的電容效應是極其微小的。
由于直角走線的線寬增加,該處的阻抗將減小,于是會產(chǎn)生一定的信號反射現(xiàn)象,我們可以根據(jù)傳輸線章節(jié)中提到的阻抗計算公式來算出線寬增加后的等效阻抗,然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算反射系數(shù):ρ=(zs-z0)/(zs+z0),一般直角走線導致的阻抗變化在7%-20%之間,因而反射系數(shù)大為0.1左右。而且,從下圖可以看到,在w/2線長的時間內(nèi)傳輸線阻抗變化到小,再經(jīng)過w/2時間又恢復到正常的阻抗,整個發(fā)生阻抗變化的時間極短,往往在10ps之內(nèi),這樣快而且微小的變化對一般的信號傳輸來說幾乎是可以忽略的。
很多人對直角走線都有這樣的理解,認為尖端容易發(fā)射或接收電磁波,產(chǎn)生emi,這也成為許多人認為不能直角走線的理由之一。然而很多實際測試的結果顯示,直角走線并不會比直線產(chǎn)生很明顯的emi。也許目前的儀器性能,測試水平制約了測試的精確性,但至少說明了一個問題,直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測量誤差。
總的說來,直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在ghz以下的應用中,其產(chǎn)生的任何諸如電容,反射,emi等效應在tdr測試中幾乎體現(xiàn)不出來,高速pcb設計工程師的重點還是應該放在布局,電源/地設計,走線設計,過孔等其他方面。當然,盡管直角走線帶來的影響不是很嚴重,但并不是說我們以后都可以走直角線,注意細節(jié)是每個優(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工程師處理的信號頻率也會不斷提高,到10ghz以上的rf設計領域,這些小小的直角都可能成為高速問題的重點對象。
2. 差分走線
差分信號(differential signal)在高速電路設計中的應用越來越廣泛,電路中關鍵的信號往往都要采用差分結構設計,什么另它這么倍受青睞呢?在pcb設計中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個問題,我們進行下一部分的討論。
何為差分信號?通俗地說,就是驅動端發(fā)送兩個等值、反相的信號,接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。
差分信號和普通的單端信號走線相比,明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面:
a.抗干擾能力強,因為兩根差分走線之間的耦合很好,當外界存在噪聲干擾時,幾乎是同時被耦合到兩條線上,而接收端關心的只是兩信號的差值,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,由于兩根信號的極性相反,他們對外輻射的電磁場可以相互抵消,耦合的越緊密,泄放到外界的電磁能量越少。
c.時序定位精確,由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點,而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時序上的誤差,同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的lvds(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信號技術。
對于pcb工程師來說,關注的還是如何確保在實際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢。也許只要是接觸過layout的人都會了解差分走線的一般要求,那就是“等長、等距”。等長是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性,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)則都不是用來生搬硬套的,不少工程師似乎還不了解高速差分信號傳輸?shù)谋举|(zhì)。下面重點討論一下pcb差分信號設計中幾個常見的誤區(qū)。
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