排版是最基本的工作技能之一 PCB设计 工程师。 布线的质量将直接影响整个系统的性能，大部分高速设计理论最终都必须通过Layout来实现和验证，可见布线在高速PCB设计中至关重要。 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，并给出一些更优化的布线策略。 主要从直角线、差线、蛇线等三个方面来阐述。

1. 矩形走线

PCB布线中一般都要求直角布线，避免出现这种情况，几乎已经成为衡量布线质量的标准之一，那么直角布线对信号传输有多大影响呢？ 原则上，直角布线会改变传输线的线宽，导致阻抗不连续。 事实上，不仅直角线，ton角、锐角线都可能引起阻抗变化。

直角走线对信号的影响主要体现在三个方面：第一，拐角可以相当于传输线上的容性负载，减缓上升时间； 其次，阻抗不连续会引起信号反射； 第三，直角尖端产生的EMI。

传输线直角引起的寄生电容可由以下经验公式计算：

C=61W(Er)1/2/Z0

上式中，C为拐角处等效电容（pF），W为线宽（英寸），εR为介质介电常数，Z0为传输特性阻抗线。 例如，对于 4Mils 50 ohm 传输线（εr 4.3），直角电容约为 0.0101pF，可以估算上升时间变化：

T10-90%=2.2*C* z0/2 =2.2* 0.0101*50/2 = 0.556ps

从计算中可以看出，直角布线带来的电容效应极小。

随着直角线的线宽增加，该点的阻抗会降低，所以会有一定的信号反射现象。 我们可以根据传输线部分提到的阻抗计算公式计算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)，一般直角布线导致阻抗变化在7%-20%之间，所以最大反射系数在0.1左右。 而且，从下图可以看出，传输线阻抗在W/2线的长度内变化到最小，然后在W/2次后恢复到正常阻抗。 整个阻抗变化的时间很短，通常在10ps以内。 这种快速而微小的变化对于一般的信号传输来说几乎可以忽略不计。

很多人对直角布线都有这样的认识，认为尖端容易发射或接收电磁波而产生EMI，这也成为很多人认为不能直角布线的原因之一。 然而，许多实际测试结果表明，直角线产生的 EMI 并不比直线大。 或许目前的仪器性能和测试水平制约了测试的准确性，但至少说明直角线的辐射小于仪器本身的测量误差。 一般来说，直角对齐并不像看起来那么糟糕。 至少在低于 GHz 的应用中，TDR 测试中几乎没有反映任何影响，例如电容、反射、EMI 等。 高速PCB的设计工程师应重点关注布局、电源/接地设计、布线设计、穿孔等。 当然，虽然矩形走线的影响不是很严重，但并不是说我们可以走直角线，注重细节是每个优秀工程师必备的素质，而且随着数字电路的飞速发展，PCB工程师对信号频率的处理也将不断提高，到10GHZ以上的射频设计领域， 这些小的直角可以成为高速问题的焦点。

2. 的区别

差分信号广泛用于高速电路设计。 电路中最重要的信号是差分信号设计。 如何保证其在PCB设计中的良好表现？ 考虑到这两个问题，我们继续讨论的下一部分。

什么是差分信号？ 通俗地说，驱动器发送两个等效和反相信号，接收器比较两个电压之间的差异，以确定逻辑状态是“0”还是“1”。 承载差分信号的一对导线称为差分导线。

与普通单端信号路由相比，差分信号在以下三个方面的优势最为明显：

A.抗干扰能力强，因为两条差分线之间的耦合性很好，当有噪声干扰时，几乎同时耦合到两条线，接收端只关心两条信号的差异，因此可以完全消除外部共模噪声。

B. 可有效抑制EMI。 同样，由于两个信号极性相反，它们辐射的电磁场可以相互抵消。 耦合越近，释放到外界的电磁能越少。

C、定时定位准确。 由于差分信号的开关变化位于两个信号的交点处，不像常见的单端信号通过高低阈值电压来判断，受工艺和温度的影响较小，可以减少时序误差，更适合用于具有低幅度信号的电路。 LVDS（low voltage differenceTIalsignaling）指的是这种小幅度差分信号技术。

对于PCB工程师来说，最关心的就是如何保证差分布线的这些优势在实际布线中得到充分利用。 或许只要接触过Layout的人都会明白差分布线的一般要求，那就是“等长、等距”。 等距是为了保证两个差分信号始终保持相反的极性，减少共模分量； 等距主要是保证差分阻抗相同，减少反射。 “尽可能接近”有时是差分路由的要求之一。 但是这些规则都不是机械应用的，而且许多工程师似乎并不了解高速差分信号的本质。 下面重点介绍PCB差分信号设计中的几个常见错误。

误解一：差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分线为彼此提供回流路径。 造成这种误解的原因是被表面现象混淆了，或者高速信号传输的机制还不够深。 从图1中接收端的结构可以看出。 如图8-15-3所示，晶体管Q4和Q1的发射极电流相等且相反，它们在结点处的电流正好相互抵消（I0=XNUMX）。 因此，差分电路对电源和接地平面中可能存在的类似接地投影和其他噪声信号不敏感。 地平面的部分回流抵消并不意味着差分电路不以参考平面作为信号返回路径。 其实在信号回流分析中，差分走线的机制和普通单端走线是一样的，即高

频率信号总是沿着电感最小的电路回流。 最大的区别在于差分线不仅对地有耦合，而且相互之间也有耦合。 强耦合成为主要的回流路径。

PCB电路设计中，差分走线之间的耦合一般很小，通常只占耦合度的10~20%，而且大部分耦合到地，所以差分走线的主要回流路径仍然存在于地中飞机。 在局部平面不连续的情况下，不同路径之间的耦合在没有参考平面的区域中提供了主要的回流路径，如图 1 所示。 8-17-XNUMX。 参考平面的不连续性对差分布线的影响虽然没有普通单端布线那么严重，但仍会降低差分信号的质量，增加EMI，应尽量避免。 有的设计者认为可以去除差动传输线的参考平面，以抑制差动传输中的部分共模信号，但理论上这种做法是不可取的。 如何控制阻抗？ 如果不为共模信号提供接地阻抗环路，势必会产生EMI辐射，弊大于利。

误区二：保持等间距比匹配线长更重要。 在实际PCB布线中，往往无法满足差分设计的要求。 由于引脚、孔洞的分布以及布线空间等因素，需要通过适当的绕线来达到线长匹配的目的，但结果不可避免的是部分差分对不能平行，此时，如何选择？ 在我们下结论之前，让我们来看看下面的模拟结果。 从上面的仿真结果可以看出，方案1和方案2的波形几乎重合，也就是说间距不等的影响最小，线长不匹配对时序的影响要大得多（方案3） . 从理论分析来看，虽然间距不一致会导致差分阻抗变化，但由于差分对本身之间的耦合并不显着，所以阻抗变化的范围也很小，通常在10%以内，仅等效孔引起的反射，不会对信号传输造成显着影响。 一旦线路长度不匹配，除了时序偏移之外，共模分量会被引入到差分信号中，这会降低信号质量并增加 EMI。

可以说PCB差分布线设计中最重要的规则就是线长的匹配，其他规则可以根据设计要求和实际应用灵活处理。

误解三：认为差线必须靠得很近。 保持差分线靠近的点无非是增加它们的耦合，既可以提高它们对噪声的免疫力，又可以利用磁场的相反极性来抵消来自外界的电磁干扰。 虽然这种方法在大多数情况下是非常有利的，但也不是绝对的。 如果它们能够完全屏蔽外界干扰，那么我们就不再需要通过相互之间的强耦合来达到抗干扰和抑制EMI的目的。 如何保证差分走线有良好的隔离和屏蔽？ 增加线路与其他信号之间的距离是最基本的方法之一。 电磁场的能量随距离的平方关系减小。 一般来说，当线之间的距离大于线宽的4倍时，它们之间的干扰非常微弱，基本可以忽略。 此外，通过地平面的隔离也可以提供良好的屏蔽效果。 这种结构常用于高频（10G以上）IC封装PCB设计，称为CPW结构，以保证严格的差分阻抗控制（2Z0），如图。 1-8-19。

差分走线也可以在不同的信号层进行，但一般不推荐这样做，因为不同层的阻抗和通孔等差异会破坏差模传输效果并引入共模噪声。 另外，如果相邻两层没有紧密耦合，差分布线抗噪声的能力会降低，但如果与周围布线保持适当的间距，串扰就不是问题。 在一般频率下（低于 GHz），EMI 不会是一个严重的问题。 实验表明，500米以外3Mils的差分线路辐射能量衰减达到60dB，足以满足FCC的ELECTROMAGNETIC辐射标准。 因此，设计人员无需过多担心差分线耦合不足导致的电磁不兼容问题。

3. 蛇纹石

在布局中经常使用蛇形线。 其主要目的是调整延时，满足系统时序设计的要求。 设计人员首先应了解蛇形线会破坏信号质量，改变传输延迟，布线时应尽量避免。 但在实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者减少同一组信号之间的时间偏移，必须有意识地进行绕线。

那么蛇纹石对信号传输有什么作用呢？ 走线要注意什么？ 两个最关键的参数是平行耦合长度 (Lp) 和耦合距离 (S)，如图 1 所示。 8-21-XNUMX。 显然，当信号以蛇形线传输时，平行线段之间会以差模的形式耦合。 S越小，Lp越大，耦合度越大。 如第 3 章共模和差模串扰的分析所述，这可能会导致传输延迟减少和信号质量因串扰而显着降低。

以下是布局工程师在处理蛇形时的一些提示：

1. 尽量增加平行线段的距离（S），至少大于3H。 H是指信号线到参考平面的距离。 一般来说，就是走大曲线。 只要S足够大，耦合效应几乎可以完全避免。

2. 当耦合长度Lp减小时，当Lp的延迟接近或超过信号上升时间的两倍时，产生的串扰就会达到饱和。

3. 带状线或嵌入式微带的蛇形线引起的信号传输延迟比微带小。 理论上，带状线不会因为差模串扰而影响传输速率。

4. 对于时序要求严格的高速和信号线，尽量不要走蛇形线，尤其是在小范围内。

5. 通常可以采用任意角度的蛇形走线。 图 1 中的 C 结构8-20-XNUMX 可以有效降低彼此之间的耦合。

6. 在高速PCB设计中，蛇纹石没有所谓的滤波或抗干扰能力，只能降低信号质量，所以只用于时序匹配，没有其他用途。

7. 有时可以考虑螺旋缠绕。 仿真表明其效果优于普通蛇形绕组。