layout中蛇形线和差分线的使用

出处:电子工程专辑 发布于:2018-08-08 14:06:03

  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。
  差分线怎么布才是严格的等长?我怎么样测试两相的长度是等长度呢?还是我大致让他们平行走线,只是尽量可能的等长,而不是很的等长?既然延迟差允许1/4的时钟误差是不是其长度也可以满足两相的长度差存在1/4的误差或者是更少的误差(1/4的误差太大了,平行着走线,怎么走也差不了那么多哦呵呵:))
  差分信号和普通的单端信号走线相比,明显的优势体现在以下三个方面:
  a、抗干扰能力强,因为两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只是两信号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
  b、能有效抑制 EMI,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。
  c、时序定位,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指这种小振幅差分信号技术。
  对于PCB工程师来说,关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求,那就是“等长、等距”。等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性,减少共模分量;等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致,减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。但所有这些规则都不是用来生搬硬套的,不少工程师似乎还不了解高速差分信号传输的本质。
  下面重点讨论一下PCB差分信号设计中几个常见的误区。
  误区一:认为差分信号不需要地平面作为回流路径,或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象迷惑,或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。
  误区二:认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中,往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布,过孔,以及走线空间等因素存在,必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的,但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行,这时候我们该如何取舍呢?
  2、蛇形线
  蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时,满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识:蛇形线会破坏信号质量,改变传输延时,布线时要尽量避免使用。但实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或者减小同组信号之间的时间偏移,往往不得不故意进行绕线。
  很明显,信号在蛇形走线上传输时,相互平行的线段之间会发生耦合,耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小,以及由于串扰而大大降低信号的质量。
  下面是给Layout工程师处理蛇形线时的几点建议:
  1、尽量增加平行线段的距离(S),至少大于3H,H指信号走线到参考平面的距离。通俗的说就是绕大弯走线,只要S足够大,就几乎能完全避免相互的耦合效应。
  2、减小耦合长度Lp,当两倍的Lp延时接近或超过信号上升时间时,产生的串扰将达到饱和。
  3、带状线(Strip-Line)或者埋式微带线(Embedded Micro-strip)的蛇形线引起的信号传输延时小于微带走线(Micro-strip)。理论上,带状线不会因为差模串扰影响传输速率。
  4、高速以及对时序要求较为严格的信号线,尽量不要走蛇形线,尤其不能在小范围内蜿蜒走线。
  5、可以经常采用任意角度的蛇形走线,如图1-8-20中的C结构,能有效的减少相互间的耦合。
  6、高速PCB 设计中,蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的能力,只可能降低信号质量,所以只作时序匹配之用而无其它目的。
  7、有时可以考虑螺旋走线的方式进行绕线,仿真表明,其效果要优于正常的蛇形走线。
  其他PCB走线规则经验:
  PCB设计不是你听了几个规则和概念就明白的,做PCB设计的人一定要精通数字和模拟电路,必须了解信号完整性问题,那可是需要认真看书,仔细思考,动手实践才能体会到的。
关键词:差分线

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