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PCB設計-----PCB Design

發布時間:2016-08-15 08:12:21 分類:資料中心

 布線(layout)是pcb設計工程師最基本的工作技能之一。走線的好壞将直接影響到整個系統的性能,大多數高速的設計理論也要最終經過layout得以實現并驗證,由此可見,布線在高速pcb設計中是至關重要的。下面将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标準之一,那麼直角走線究竟會對信号傳輸産生多大的影響呢?從原理上說,直角走線會使傳輸線的線寬發生變化,造成阻抗的不連續。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。
直角走線的對信号的影響就是主要體現在三個方面:一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;二是阻抗不連續會造成信号的反射;三是直角尖端産生的emi。
傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經驗公式來計算:
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指介質的介電常數,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,該處的阻抗将減小,于是會産生一定的信号反射現象,我們可以根據傳輸線章節中提到的阻抗計算公式來算出線寬增加後的等效阻抗,然後根據經驗公式計算反射系數:ρ=(zs-z0)/(zs+z0),一般直角走線導緻的阻抗變化在7%-20%之間,因而反射系數最大為0.1左右。而且,從下圖可以看到,在w/2線長的時間内傳輸線阻抗變化到最小,再經過w/2時間又恢複到正常的阻抗,整個發生阻抗變化的時間極短,往往在10ps之内,這樣快而且微小的變化對一般的信号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,認為尖端容易發射或接收電磁波,産生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産生很明顯的emi。也許目前的儀器性能,測試水平制約了測試的精确性,但至少說明了一個問題,直角走線的輻射已經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麼可怕。至少在ghz以下的應用中,其産生的任何諸如電容,反射,emi等效應在tdr測試中幾乎體現不出來,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,但并不是說我們以後都可以走直角線,注意細節是每個優秀工程師必備的基本素質,而且,随着數字電路的飛速發展,pcb工程師處理的信号頻率也會不斷提高,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
差分信号(differential signal)在高速電路設計中的應用越來越廣泛,電路中最關鍵的信号往往都要采用差分結構設計,什麼另它這麼倍受青睐呢?在pcb設計中又如何能保證其良好的性能呢?帶着這兩個問題,我們進行下一部分的讨論。
何為差分信号?通俗地說,就是驅動端發送兩個等值、反相的信号,接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀态“0”還是“1”。而承載差分信号的那一對走線就稱為差分走線。
差分信号和普通的單端信号走線相比,最明顯的優勢體現在以下三個方面:
a.抗幹擾能力強,因為兩根差分走線之間的耦合很好,當外界存在噪聲幹擾時,幾乎是同時被耦合到兩條線上,而接收端關心的隻是兩信号的差值,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,由于兩根信号的極性相反,他們對外輻射的電磁場可以相互抵消,耦合的越緊密,洩放到外界的電磁能量越少。
c.時序定位精确,由于差分信号的開關變化是位于兩個信号的交點,而不像普通單端信号依靠高低兩個阈值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時序上的誤差,同時也更适合于低幅度信号的電路。目前流行的lvds(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信号技術。
對于pcb工程師來說,最關注的還是如何确保在實際走線中能完全發揮差分走線的這些優勢。也許隻要是接觸過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号時刻保持相反極性,減少共模分量;等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一緻,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号傳輸的本質。下面重點讨論一下pcb差分信号設計中幾個常見的誤區。

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