蛇形線(xiàn)的作用

　　經(jīng)常能看到論壇里有人在問(wèn)蛇形線(xiàn)的問(wèn)題。平時(shí)我們能看到蛇形線(xiàn)的地方大都是一些高速高密度板，好像帶有蛇形線(xiàn)的板子就更高級，會(huì )畫(huà)蛇形線(xiàn)就是高手了。網(wǎng)上關(guān)于蛇形線(xiàn)的文章也有很多，總感覺(jué)有些帖子的內容會(huì )誤導新手，給人們帶來(lái)困擾，人為制造一些障礙。那么我們來(lái)看看實(shí)際應用當中蛇形線(xiàn)到底有什么作用。

　　要弄懂蛇形線(xiàn)，我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)PCB走線(xiàn)。這個(gè)概念似乎不用介紹，做硬件的工程師每天在做的不就是布線(xiàn)工作么。PCB上的每條走線(xiàn)都是硬件工程師辛苦的一條一條畫(huà)出來(lái)的，這有什么可說(shuō)的呢?其實(shí)就是這簡(jiǎn)單的走線(xiàn)也包含了很多我們平時(shí)會(huì )忽略的知識點(diǎn)。比如說(shuō)，微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的概念。簡(jiǎn)單地說(shuō)微帶線(xiàn)是走在PCB板表層的走線(xiàn)，帶狀線(xiàn)是走在PCB內層的走線(xiàn)。這兩種線(xiàn)有什么區別呢?微帶線(xiàn)的參考平面是PCB內層的地平面，走線(xiàn)的另一面是暴露在空氣中的，這樣就造成了走線(xiàn)四周的介電常數并不一致，比如我們常用的FR4基板介電常數是4.2左右，空氣的介電常數是1。而帶狀線(xiàn)上下兩面都有參考平面，整個(gè)走線(xiàn)是嵌入在PCB基材當中的，走線(xiàn)四周的介電常數是一致的。這也就造成了帶狀線(xiàn)上傳輸的是TEM波，而微帶線(xiàn)傳輸的是準TEM波。為什么是準TEM波?那是由于在空氣和PCB基材交界處的相位不匹配造成的。什么事TEM波?…………如果就這個(gè)問(wèn)題深挖下去的話(huà)，講上十天半個(gè)月也講不完。長(cháng)話(huà)短說(shuō)，無(wú)論是微帶線(xiàn)還是帶狀線(xiàn)，他們的作用無(wú)非就是用來(lái)承載信號，無(wú)論數字信號或者模擬信號。這些信號在走線(xiàn)里以電磁波的形式從一端傳輸到另一端。既然是波，那就要有速度。信號在PCB走線(xiàn)上的速度是多少呢?根據介電常數的區別，速度也不一樣。電磁波在空氣中的傳播速度是大家都熟知的光速。在其他介質(zhì)中的傳播速度就要通過(guò)下面的公式來(lái)計算：

　　V=C/Er^0.5

　　其中，V是在介質(zhì)中的傳播速度，C是光速，Er是介質(zhì)的介電常數。通過(guò)這個(gè)公式我們就能輕松的計算出信號在PCB走線(xiàn)上的傳輸速度。比如我們把FR4基材的介電常數簡(jiǎn)單以4來(lái)帶入公式計算，也就是信號在FR4基材中的傳輸速度是光速的一半。但是表層走線(xiàn)的微帶線(xiàn)，由于一半在空氣中，一半在基材中，介電常數會(huì )略有降低，這樣傳輸速度會(huì )比帶狀線(xiàn)略快一些。常用的經(jīng)驗數據就是微帶線(xiàn)的走線(xiàn)延時(shí)大約為140ps/inch,帶狀線(xiàn)的走線(xiàn)延時(shí)大約為166ps/inch。

　　前面說(shuō)了這么多只有一個(gè)目的，那就是信號在PCB上的傳輸是有延時(shí)的!也就是說(shuō)信號并不是在一個(gè)管腳發(fā)送出去以后，瞬間就通過(guò)走線(xiàn)傳輸到另一個(gè)管腳。雖然信號傳輸的速度很快，但是只要走線(xiàn)長(cháng)度足夠長(cháng)，還是會(huì )對信號傳輸帶來(lái)影響。比如說(shuō)一個(gè)1GHz的信號，周期是1ns，上升沿或者下降沿的時(shí)間大約為周期的十分之一，那么就是100ps。如果我們的走線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)1inch(大約2.54厘米)，那么傳輸的延遲就差出了一個(gè)上升沿還要多的時(shí)間，如果走線(xiàn)超過(guò)8inch(大約20厘米)，那么延遲就能整整差出一個(gè)周期!原來(lái)PCB的影響這么大，我們板子上超過(guò)1inch的走線(xiàn)是很常見(jiàn)的。那么延遲會(huì )對板子正常工作有影響么?看看實(shí)際系統，如果只是一個(gè)信號，和其他信號不想關(guān)，那么延遲似乎不會(huì )有什么影響。但是，在高速系統里，這個(gè)延遲是會(huì )實(shí)實(shí)在在的發(fā)生作用的。比如我們常見(jiàn)的內存顆粒，是以總線(xiàn)形式連接的，有數據線(xiàn)，有地址線(xiàn)，有時(shí)鐘，有控制線(xiàn)。再看看我們的視頻接口，HDMI或者DVI無(wú)論幾個(gè)通道，都會(huì )包含數據通道和時(shí)鐘通道?；蛘呤且恍┛偩€(xiàn)協(xié)議，都是數據和時(shí)鐘同步傳輸。那么，在實(shí)際的高速系統當中，這些時(shí)鐘信號和數據信號都是同步的從主芯片中發(fā)送出來(lái)的，如果我們的PCB走線(xiàn)設計很差，時(shí)鐘信號和數據信號的長(cháng)度相差很大，那么很容易就能造成數據的錯誤采樣，那么整個(gè)系統也就不會(huì )正常工作了。要解決這個(gè)問(wèn)題怎么辦呢?很自然的我們就會(huì )想到，把長(cháng)度短的走線(xiàn)加長(cháng)，讓同組的走線(xiàn)長(cháng)度差不多，那不就延遲一樣了?那怎么把走線(xiàn)加長(cháng)呢?繞唄!Bingo! 終于繞回主題了，真不容易。這就是蛇形線(xiàn)在高速系統中的主要作用。繞線(xiàn)，等長(cháng)。就是這么簡(jiǎn)單。蛇形線(xiàn)就是用來(lái)繞等長(cháng)的，通過(guò)畫(huà)蛇形線(xiàn)，我們能讓同組信號實(shí)現等長(cháng)，這樣在接收芯片接收到信號后就不會(huì )由于PCB走線(xiàn)上的不同延時(shí)造成數據的錯采了。蛇形線(xiàn)和其他PCB板上的走線(xiàn)一樣，都是用來(lái)連接信號的，只是走的長(cháng)一些而已，無(wú)它。所以蛇形線(xiàn)并不高深，也沒(méi)多復雜。既然和其他走線(xiàn)一樣，那么一些常用的布線(xiàn)規則對蛇形線(xiàn)也是適用的，同時(shí)由于蛇形線(xiàn)的特殊結構，在布線(xiàn)時(shí)要注意到，比如盡量讓蛇形線(xiàn)相互平行的部分遠一點(diǎn)，短一點(diǎn)，也就是俗話(huà)說(shuō)的繞大彎，不要在小范圍內繞的太密太小。這都有助于減小信號干擾。蛇形線(xiàn)由于人工的增加了線(xiàn)長(cháng)，對信號必然是有壞的影響的，所以在系統中只要能滿(mǎn)足時(shí)序要求，能不用就不要用。有些工程師凡是用到DDR或者用到高速信號就會(huì )去做全組等長(cháng)，蛇形線(xiàn)滿(mǎn)板飛，似乎這樣就是更好的布線(xiàn)，實(shí)際上這是偷懶不負責任的表現。很多不需要繞線(xiàn)的地方繞線(xiàn)了，浪費了板子的面積不說(shuō)，也降低了信號質(zhì)量。我們應該根據實(shí)際的信號速度要求計算延遲的冗余度，從而確定好板子的布線(xiàn)規則。

　　除了等長(cháng)的作用以外，看到網(wǎng)絡(luò )上的文章中經(jīng)常提到蛇形線(xiàn)的其他幾個(gè)作用，這里也簡(jiǎn)單說(shuō)一下。

　　1、 經(jīng)?？吹降囊粋€(gè)說(shuō)法是阻抗匹配的作用。這個(gè)說(shuō)法很奇怪，PCB走線(xiàn)的阻抗和線(xiàn)寬有關(guān)，和介電常數有關(guān)，和參考平面的距離有關(guān)，什么時(shí)候和蛇形線(xiàn)有關(guān)了?走線(xiàn)的形狀什么時(shí)候影響到阻抗了?不知道這個(gè)說(shuō)法的源頭是從哪來(lái)的。

　　2、 還有說(shuō)是濾波的作用。這個(gè)作用不能說(shuō)沒(méi)有，但是在數字電路里面應該沒(méi)有濾波的作用或者說(shuō)在數字電路里面我們是不需要用到這個(gè)功能的。在射頻電路里，蛇形的走線(xiàn)能形成一個(gè)LC電路，如果說(shuō)對一定頻率的信號有濾波作用那還是說(shuō)的過(guò)去的。

　　3、 接收天線(xiàn)。這個(gè)可以有。在有些手機或者收音機上我們都能看到這個(gè)作用。有些天線(xiàn)就是用PCB走線(xiàn)來(lái)做的。

　　4、 電感。這個(gè)可以有。本來(lái)PCB上的所有走線(xiàn)都有寄生電感。要做一些PCB電感是可以實(shí)現的。

　　5、 保險絲。這個(gè)作用讓我百思不得其解。短而窄的蛇形線(xiàn)怎么起到保險絲的作用呢?電流一大就燒斷?那板子不是廢了，這個(gè)保險絲的代價(jià)太大了吧，實(shí)在想不明白會(huì )在什么樣的應用中用到。

　　通過(guò)上面的介紹我們可以明確，在模擬或者射頻電路當中，蛇形線(xiàn)有些特殊作用，這是微帶線(xiàn)特性決定的。而在數字電路設計當中，蛇形線(xiàn)就是用來(lái)做等長(cháng)實(shí)現時(shí)序匹配的作用。并且，蛇形線(xiàn)會(huì )對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以在系統中應該明確系統需求，根據實(shí)際要求計算系統冗余，謹慎使用蛇形線(xiàn)。