解析PCB Layout中的專業(yè)走線策略

對于PCB工程師來說，最關(guān)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?！氨M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(shè)計中幾個常見的誤區(qū)。

誤區(qū)一：認為差分信號不需要地平面作為回流路徑， 或者認為差分走線彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對高速信號傳輸?shù)臋C理認識還不夠深入。從圖1-8-15的接收端的結(jié) 構(gòu)可以看到，晶體管Q3,Q4的發(fā)射極電流是等值，反向的，他們在接地處的電流正好相互抵消(I1=0)，因而差分電路對于類似地彈以及其它可能存在于電 源和地平面上的噪音信號是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端 走線的機理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，那一 種就成為主要的回流通路，圖1-8-16是單端信號和差分信號的地磁場分布示意圖。

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在PCB電路設(shè)計中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10~20%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時候，無參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會提供主要的回流通路，見圖1-8-17所示。盡管參考平面的不連續(xù)對差分走線的影響沒有對普通的單端走線來的嚴重，但還是會降低差分信號的質(zhì)量，增加EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計人員認為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制?不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

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誤區(qū)二：認為保持等間距比匹配線長更重要。在實際的PCB布線中，往往不能同時滿足差分設(shè)計的要求。由于管腳分布，過孔，以及走線空間等因素存在，必須通過適當(dāng)?shù)睦@線才能達到線長匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對的部分區(qū)域無法平行，這時候我們該如何取舍呢?在下結(jié)論之前我們先看看下面一個仿真結(jié)果。

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從上面的仿真結(jié)果看來，方案1和方案2波形幾乎是重合的，也就是說，間距不等造成的影響是微乎其微的，相比較而言，線長不匹配對時序的影響要大得多(方案3)。再從理論分析來看，間距不一致雖然會導(dǎo)致差分阻抗發(fā)生變化，但因為差分對之間的耦合本身就不顯著，所以阻抗變化范圍也是很小的，通常在10%以內(nèi)，只相當(dāng)于一個過孔造成的反射，這對信號傳輸不會造成明顯的影響。而線長一旦不匹配，除了時序上會發(fā)生偏移，還給差分信號中引入了共模的成分，降低信號的質(zhì)量，增加了EMI。

可以這么說，PCB差分走線的設(shè)計中最重要的規(guī)則就是匹配線長，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計要求和實際應(yīng)用進行靈活處理。

誤區(qū)三：認為差分走線一定要靠的很近。讓差分走線靠近無非是為了增強他們的耦合，既可以提高對噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對外界的電 磁干擾。雖說這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過彼此的強耦 合達到抗干擾和抑制EMI的目的了。如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢?增大與其它信號走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場能量是隨著距離呈 平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過4倍線寬時，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高 頻的(10G以上)IC封裝PCB設(shè)計中經(jīng)常會用采用，被稱為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴格的差分阻抗控制(2Z0)，如圖1-8-19。

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差分走線也可以走在不同的信號層中，但一般不建議這種走法，因為不同的層產(chǎn)生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個問題。在一般頻率(GHz以下)，EMI也不會是很嚴重的問題，實驗表明，相距500Mils的差分走線，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達到60dB，足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計者根本不用過分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。