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PCB新聞 - PCB佈線的直角佈線、差分佈線和蛇形佈線的基本理論

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PCB新聞 - PCB佈線的直角佈線、差分佈線和蛇形佈線的基本理論

PCB佈線的直角佈線、差分佈線和蛇形佈線的基本理論

2021-09-29
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Author:Kavie

1、直角佈線

通常需要直角佈線,以避免出現以下情况: PCB電路板 裝電線, 幾乎已經成為衡量佈線質量的標準之一, 那麼直角佈線對訊號傳輸有多大影響呢? 原則上, 直角佈線將改變傳輸線的線寬, 導致阻抗不連續. 事實上, 不僅僅是直角線, 噸角, 銳角線可能導致阻抗變化. 直角佈線對訊號的影響主要體現在3個方面.

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2、差分電纜

什麼是差分訊號? 簡單來說,驅動器發送兩個等效和反向訊號,接收器比較兩個電壓之間的差异,以確定邏輯狀態是“0”還是“1”。 傳輸差分訊號的一對導線稱為差分導線。 與普通單端訊號路由相比,差分訊號在以下3個方面具有最明顯的優勢:

a、抗干擾能力强,因為兩條差分線之間的耦合非常好,當存在雜訊干擾時,它們幾乎同時耦合到兩條線,而接收器只關心兩個訊號之間的差异,囙此可以完全消除外部共模雜訊。

b、它可以有效地抑制電磁干擾。 類似地,由於兩個訊號的極性相反,囙此它們輻射的電磁場可以相互抵消。 耦合越緊密,釋放到外部世界的電磁能量越少。

c、定時定位準確。 由於差分訊號的開關變化位於兩個訊號的交叉點,與通過高閾值電壓和低閾值電壓判斷的普通單端訊號不同,它受過程和溫度的影響較小,可以减少定時誤差,更適合於具有低幅度訊號的電路。 LVDS(低壓差分訊號)是一種流行的小幅度差分訊號科技。


誤解1:差分訊號不需要地平面作為回流路徑,或者認為差分線路相互提供回流路徑。 造成這種誤解的原因是表面現象混淆,或高速訊號傳輸機制不够深入。 從圖1-8-15中接收端的結構可以看出,電晶體Q3和Q4的發射極電流是等效和相反的,它們在結處的電流正好相互抵消(I1=0)。 囙此,差分電路對電源和接地層中可能存在的類似接地投影和其他雜訊訊號不敏感。 返回的地平面偏移部分並不代表一個差分電路沒有返回作為參攷平面作為訊號路徑,實際上在訊號流分析中,差分線和常見的單端走線是一致的,高頻訊號的機制總是沿著電路的最小電感進行回流, 最大的區別在於差分線除了與地面有耦合外,彼此之間也有耦合,强耦合的成為主要回流路徑。

在PCB電路設計中,差分佈線之間的耦合通常很小,通常僅占耦合度的10~20%,並且大部分耦合是對地的,囙此差分佈線的主要回流路徑仍然存在於接地層中。 如圖1-8-17所示,在局部平面不連續的情况下,差分路徑之間的耦合在沒有基準面的區域提供了主要回流路徑。 儘管基準面的不連續性對差分接線的影響不如普通單端接線嚴重,但仍會降低差分訊號的質量並新增電磁干擾,應盡可能避免這種情況。 一些設計師認為,可以移除差分傳輸線的基準面,以抑制差分傳輸中的部分共模訊號,但理論上這種方法並不可取。 如何控制阻抗? 如果不為共模訊號提供接地阻抗回路,勢必會產生電磁干擾輻射,弊大於利。


誤解2:保持相等間距比匹配行長度更重要。 在實際的PCB佈線中,往往無法滿足差分設計的要求。 由於引脚、孔的分佈和佈線空間等因素,有必要通過適當的繞組來達到線路長度匹配的目的,但結果必然是部分差分對無法並聯,此時如何選擇? 可以說,PCB差分佈線設計中最重要的規則是匹配線路長度,其他規則可以根據設計要求和實際應用靈活處理。


誤解3:認為差分線必須靠得很近。 保持差分線緊密連接的目的無非是新增它們的耦合,既可以提高它們對雜訊的免疫力,又可以利用磁場的相反極性來抵消來自外部世界的電磁干擾。 雖然這種方法在大多數情况下非常有利,但它不是絕對的。 如果它們能够完全遮罩外部干擾,那麼我們就不再需要通過彼此之間的强耦合來達到抗干擾和抑制EMI的目的。 如何確保差分路由具有良好的隔離和遮罩? 新增線路和其他訊號之間的距離是最基本的方法之一。 電磁場能量隨距離的平方關係而减小。 通常,當線間距大於線寬的4倍時,它們之間的干擾極為微弱,基本可以忽略。 此外,通過接地層的隔離也可以起到良好的遮罩效果,這種結構通常用於高頻(10G以上)IC封裝PCB設計,稱為共面波導結構,可以保證嚴格的差分阻抗控制(2Z0)。


3、蛇紋石

在佈局中經常使用蛇形線。 其主要目的是調整延時,滿足系統定時設計的要求。 設計者首先應該理解,蛇形導線會破壞訊號質量,改變傳輸延遲,並且在佈線時應避免。 然而,在實際設計中,為了確保訊號有足够的保持時間,或减少同一組訊號之間的時間偏移,必須有意識地進行繞組。 那麼蛇形對訊號傳輸有什麼影響呢? 在排隊時我應該注意什麼? 兩個最關鍵的參數是平行耦合長度(Lp)和耦合距離(S),如圖1-8-21所示。 顯然,當訊號以蛇形線傳輸時,平行線段之間將以差模的形式存在耦合。 S越小,Lp越大,耦合度越大。 如第3章共模和差模串擾分析所述,這可能會减少傳輸延遲,並顯著降低串擾引起的訊號質量。 以下是佈局工程師在處理蛇形圖時的一些提示:

1、盡可能新增平行線段的距離。 H是指訊號線與基準面之間的距離。 一般來說,這是採取一個大的曲線。 只要S足够大,耦合效應幾乎可以完全避免。

2、减少聯軸器長度Lp。 當線性規劃的延遲兩次接近或超過訊號上升時間時,產生的串擾將達到飽和。

3、帶狀線或嵌入式微帶的蛇形導線引起的訊號傳輸延遲小於微帶的訊號傳輸延遲。 理論上,帶狀線不會因為差模串擾而影響傳輸速率。

4、對於時間要求嚴格的高速和訊號線路,儘量不要運行蛇形線路,尤其是在小區域。

5、可以經常使用任意角度的蛇形,可以有效地减少彼此之間的耦合。

6、在高速PCB設計中,蛇紋石沒有所謂的濾波或抗干擾能力,只能降低訊號質量,囙此它僅用於定時匹配,沒有其他用途。

7、有時可以考慮纏繞螺旋佈線。 模擬結果表明,其效果優於常規的蛇形路由。