PCB高頻信號(hào)線的布線技巧

高速信號(hào)布線的時(shí)候，需要用到傳輸線理論，布線過程中，有些方法和傳統(tǒng)的一般信號(hào)布線也有所不同，下面大致給出了一些高頻信號(hào)線的布線技巧。

內(nèi)容摘要

電源布局布線

數(shù)字電路很多時(shí)候需要的電流是不連續(xù)的，所以對(duì)一些高速器件就會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。如果電源走線很長，則由于浪涌電流的存在進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲，而此高頻噪聲會(huì)引入到其他信號(hào)中去。

而在高速電路中必然會(huì)存在寄生電感和寄生電容，因此該高頻噪聲最終會(huì)耦合到其他電路當(dāng)中，而由于寄生電感的存在也會(huì)導(dǎo)致走線可以承受的最大浪涌電流的能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致有部分壓降，有可能會(huì)使電路失能。

所以在數(shù)字器件前面加上旁路電容就顯得尤為重要。電容越大，其在傳輸能量上是受限于傳輸速率的，所以一般會(huì)結(jié)合一個(gè)大電容和一個(gè)小電容一起，來滿足全頻率范圍內(nèi)。

PCB布線時(shí)小容量電容應(yīng)靠近芯片供電電源引腳放置，且回流芯片參考地的PCB布線越短越粗更好，以降低引線寄生電感對(duì)高頻噪聲的退耦影響。大容量電容當(dāng)然也是靠近芯片供電電源引腳放置更好，相比小容量電容而言，大容量電容可以稍遠(yuǎn)，即先小容量電容再大容量。

避免熱點(diǎn)產(chǎn)生：信號(hào)過孔會(huì)在電源層和底層產(chǎn)生噪聲，主要原因是過孔寄生電感，可能會(huì)改變?cè)肼暤幕亓髀窂?，?dǎo)致信號(hào)回流路徑失控，地噪聲變大。

過孔寄生電感與器件（尤其是功率器件）寄生電容諧振，產(chǎn)生高頻寄生振蕩噪聲，過孔寄生電容與寄生電感參與諧振有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電流路徑的改變，使輻射噪聲面積變大，導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射發(fā)射問題。

另外，不合理的放置過孔很有可能會(huì)使電源或者地平面某些區(qū)域的電流密度增加。而這些電流密度增加的地方我們稱之為熱點(diǎn)。所以，我們?cè)谠O(shè)置過孔的時(shí)候要極力避免這種情況發(fā)生，以免平面被割裂，最終導(dǎo)致EMC的問題產(chǎn)生。?

通常最好的避免熱點(diǎn)的辦法就是網(wǎng)狀式的放置過孔，如此電流密度均勻，同時(shí)平面不會(huì)隔離，回流路徑就不會(huì)過長，也就不會(huì)產(chǎn)生EMC的問題。

走線的彎曲方式

彎曲布線規(guī)則

在高速信號(hào)PCB布線時(shí)，信號(hào)走線出現(xiàn)彎曲無可避免，但是應(yīng)該減少彎曲的次數(shù)。彎曲PCB布線時(shí)，則采用鈍角布線，或者采用弧線布線，避免采用銳角或者直角走線。

蛇形線設(shè)計(jì)

在布高速信號(hào)線時(shí)，我們經(jīng)常通過走蛇形線來實(shí)現(xiàn)等長，同樣的蛇形線也其實(shí)一種走線的彎曲。線寬，間距，以及彎曲方式都應(yīng)該做合理的選擇，間距應(yīng)滿足4W/1.5W規(guī)則的。

信號(hào)的串?dāng)_控制

高速信號(hào)線之間如果距離太近，很容易產(chǎn)生串?dāng)_耦合。有些時(shí)候因?yàn)椴季?、板框尺寸等原因，?dǎo)致高速信號(hào)線之間的距離超過了最低要求距離，只能在靠近其瓶頸的地方盡量加大高速信號(hào)線之間的距離。其實(shí)，如果空間足夠容許，則盡量加大兩高速信號(hào)線之間的距離。

PCB布線的樁線（stub）

上拉電阻/下拉電阻產(chǎn)生的樁線

長的樁線就相當(dāng)于一個(gè)天線，處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的EMC的問題。同時(shí)樁線也會(huì)造成反射，降低信號(hào)的完整度。

通常在高速信號(hào)線上面添加上拉或者下拉電阻的時(shí)候，會(huì)最容易產(chǎn)生樁線，而一般處理樁線的將走線可以菊花走線。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，如果樁線的長度大于1/10波長就可以當(dāng)做一個(gè)天線了，此時(shí)就會(huì)成為一個(gè)問題。

高速信號(hào)連接器處產(chǎn)生的樁線

在高速信號(hào)連接器端子引腳處，也是最容易產(chǎn)生樁線的地方，尤其是多個(gè)連接器兼容設(shè)計(jì)過程中容易產(chǎn)生樁線，其最好的辦法是在靠近第一個(gè)連接器的輸出引腳增加串聯(lián)電阻，當(dāng)使用第一個(gè)連接器時(shí)，斷開串聯(lián)電阻，減少樁線長度。

高速信號(hào)的樁線不僅會(huì)造成信號(hào)的反射，還會(huì)引起差分阻抗的跌落，其原因是樁線與連接線纜呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系，造成阻抗的嚴(yán)重不連續(xù)。

自動(dòng)化測試點(diǎn)產(chǎn)生的樁線

高速信號(hào)在滿足自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，需要在高速信號(hào)線上增加自動(dòng)化的測試點(diǎn)，高速信號(hào)的測試點(diǎn)及其PCB布線，就構(gòu)成了高速信號(hào)的樁線。

其解決方案主要有：一是取消高速信號(hào)線上的測試點(diǎn)及其連接線。二是縮短測試點(diǎn)與端子引腳之間的PCB布線長度，或者將測試點(diǎn)直接放置在端子引腳上。

阻抗連續(xù)性控制

線寬突變?cè)斐傻牟贿B續(xù)

走線的阻抗值一般取決于其線寬以及該走線與參考平面之間的距離。走線越寬，其阻抗越小。而在一些接口端子或器件的焊盤，其原理同樣適用。

當(dāng)一個(gè)接口端子的焊盤和一根高速信號(hào)線連接時(shí)，如果此時(shí)焊盤特別大，而高速信號(hào)線特別窄，大焊盤則阻抗小，而窄的走線必然是大阻抗，在這種情況下就會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)，阻抗不連續(xù)就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。

所以一般為了解決這個(gè)問題，都是在接口端子或者器件的大焊盤下面放置一個(gè)禁布銅皮,同時(shí)在另外一層放置該焊盤的參考平面，進(jìn)而加大阻抗，使阻抗連續(xù)。

過孔造成的不連續(xù)

過孔是另外一種會(huì)產(chǎn)生阻抗不連續(xù)的源頭。為了最小化這種效應(yīng)，在內(nèi)層和過孔連接的不需要的銅皮應(yīng)該去除。

而這樣的操作其實(shí)可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過CAD工具來消除或者聯(lián)系溝通PCB加工廠家來消除不需要的銅皮，保證阻抗的連續(xù)性。

高速差分信號(hào)設(shè)計(jì)

對(duì)稱性要求

高速差分信號(hào)線我們必須保證等寬、等間距來實(shí)現(xiàn)特定的差分阻抗值。所以在布差分信號(hào)線的時(shí)候盡量保證對(duì)稱。

有時(shí)候，一些高速差分信號(hào)線需要串接耦合電容。該耦合電容同樣需要對(duì)稱布置，同時(shí)該耦合電容的封裝不能過大，推薦使用0402、0603也可以接受，0805以上的電容或者并排電容最好不要使用。

器件與過孔引起的不連續(xù)要求

在差分線對(duì)內(nèi)禁止布置過孔或者元器件，如果在差分線對(duì)內(nèi)放置了過孔或者器件會(huì)產(chǎn)生EMC問題同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)。

通常，過孔會(huì)產(chǎn)生巨大的阻抗不連續(xù)，所以對(duì)于高速差分信號(hào)線對(duì)則盡量減少過孔，如果要使用過孔則對(duì)稱布置。

等長設(shè)計(jì)要求

在一些高速信號(hào)接口，一般如總線等需要考慮其各信號(hào)線之間的到達(dá)時(shí)間以及時(shí)滯誤差。例如，在一組高速平行總線中的所以數(shù)據(jù)信號(hào)線其到達(dá)時(shí)間，必須保證在一定的時(shí)滯誤差以內(nèi)，從來來保證其建立時(shí)間和保持時(shí)間的一致性。為了滿足這一需求，我們必須要考慮等長。

而高速差分信號(hào)線對(duì)兩信號(hào)線必須保證嚴(yán)格的時(shí)滯，否則很有可能通訊失敗。故為了滿足這一要求，可以通過蛇形線來實(shí)現(xiàn)等長，進(jìn)而滿足時(shí)滯要求。

蛇形線一般應(yīng)該布置在失長的源頭處，而不是遠(yuǎn)端。在源頭處才能保證差分線的正負(fù)端的信號(hào)在大部分時(shí)間內(nèi)都是同步傳輸?shù)摹?/p>

走線彎曲處是產(chǎn)生失長的源頭之一。對(duì)于走線彎曲處，其實(shí)線等長的應(yīng)靠近彎曲處(<=15mm)

如果有兩個(gè)走線彎曲，且兩者之間的距離<15mm，故此時(shí)兩者的失長會(huì)互相補(bǔ)償，故此時(shí)不用再做等長處理。

對(duì)于不同部分的高速差分信號(hào)線，應(yīng)分別獨(dú)立等長。過孔，串接耦合電容以及接口端子都會(huì)是高速差分信號(hào)線分成兩部分，所以這個(gè)時(shí)候要特別注意。一定要分別等長。因?yàn)楹芏?a target="_blank">EDA軟件在DRC的時(shí)候都只關(guān)注整個(gè)走線是否失長。

對(duì)于如LVDS顯示器件等接口，會(huì)同時(shí)存在數(shù)對(duì)差分對(duì)，且差分對(duì)之間的時(shí)序要求一般都會(huì)特別嚴(yán)格，時(shí)滯要求特別小，所以，對(duì)于此類差分信號(hào)對(duì)我們要求一般在同一平面內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)椴煌瑢拥男盘?hào)傳輸速度是不同的。

有些EDA軟件在計(jì)算走線長度時(shí)，會(huì)將焊盤內(nèi)部的走線也會(huì)計(jì)算在長度之內(nèi)，如果此時(shí)進(jìn)行長度補(bǔ)償，最終實(shí)際結(jié)果會(huì)失長。所以此時(shí)要特別注意，在使用一些EDA的軟件的時(shí)候。