解析PCB Layout中的專(zhuān)業(yè)走線(xiàn)策略

對于PCB工程師來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線(xiàn)中能完全發(fā)揮差分走線(xiàn)的這些優(yōu) 勢。也許只要是接觸過(guò)Layout的人都會(huì )了解差分走線(xiàn)的一般要求，那就是“等長(cháng)、等距”。等長(cháng)是為了保證兩個(gè)差分信號時(shí)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(shí)候也是差分走線(xiàn)的要求之一。但所有這些規則都不是用來(lái)生搬硬套的，不少工程師似乎 還不了解高速差分信號傳輸的本質(zhì)。下面重點(diǎn)討論一下PCB差分信號設計中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區。

誤區一：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(xiàn)彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區的原因是被表面現象迷惑，或者對高速信號傳輸的機理認識還不夠深入。從圖1-8-15的接收端的結 構可以看到，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(lèi)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(shí)在信號回流分析上，差分走線(xiàn)和普通的單端 走線(xiàn)的機理是一致的，即高頻信號總是沿著(zhù)電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區別在于差分線(xiàn)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(chǎng)分布示意圖。

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在PCB電路設計中，一般差分走線(xiàn)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(xiàn)的主要回流路徑還是存在于地平面。當地平面發(fā)生不連續的時(shí)候，無(wú)參考平面的區域，差分走線(xiàn)之間的耦合才會(huì )提供主要的回流通路，見(jiàn)圖1-8-17所示。盡管參考平面的不連續對差分走線(xiàn)的影響沒(méi)有對普通的單端走線(xiàn)來(lái)的嚴重，但還是會(huì )降低差分信號的質(zhì)量，增加EMI，要盡量避免。也有些設計人員認為，可以去掉差分走線(xiàn)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(huì )造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

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誤區二：認為保持等間距比匹配線(xiàn)長(cháng)更重要。在實(shí)際的PCB布線(xiàn)中，往往不能同時(shí)滿(mǎn)足差分設計的要求。由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線(xiàn)空間等因素存在，必須通過(guò)適當的繞線(xiàn)才能達到線(xiàn)長(cháng)匹配的目的，但帶來(lái)的結果必然是差分對的部分區域無(wú)法平行，這時(shí)候我們該如何取舍呢?在下結論之前我們先看看下面一個(gè)仿真結果。

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從上面的仿真結果看來(lái)，方案1和方案2波形幾乎是重合的，也就是說(shuō)，間距不等造成的影響是微乎其微的，相比較而言，線(xiàn)長(cháng)不匹配對時(shí)序的影響要大得多(方案3)。再從理論分析來(lái)看，間距不一致雖然會(huì )導致差分阻抗發(fā)生變化，但因為差分對之間的耦合本身就不顯著(zhù)，所以阻抗變化范圍也是很小的，通常在10%以?xún)?，只相當于一個(gè)過(guò)孔造成的反射，這對信號傳輸不會(huì )造成明顯的影響。而線(xiàn)長(cháng)一旦不匹配，除了時(shí)序上會(huì )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(shuō)，PCB差分走線(xiàn)的設計中最重要的規則就是匹配線(xiàn)長(cháng)，其它的規則都可以根據設計要求和實(shí)際應用進(jìn)行靈活處理。

誤區三：認為差分走線(xiàn)一定要靠的很近。讓差分走線(xiàn)靠近無(wú)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(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對外界的電 磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數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(guò)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(xiàn)具有良好的隔離和屏蔽呢?增大與其它信號走線(xiàn)的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著(zhù)距離呈 平方關(guān)系遞減的，一般線(xiàn)間距超過(guò)4倍線(xiàn)寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結構在高 頻的(10G以上)IC封裝PCB設計中經(jīng)常會(huì )用采用，被稱(chēng)為CPW結構，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(xiàn)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(guò)孔的差別會(huì )破壞差模傳輸的效果，引入共模噪聲。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話(huà)，會(huì )降低差分走線(xiàn)抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周?chē)呔€(xiàn)適當的間距，串擾就不是個(gè)問(wèn)題。在一般頻率(GHz以下)，EMI也不會(huì )是很?chē)乐氐膯?wèn)題，實(shí)驗表明，相距500Mils的差分走線(xiàn)，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達到60dB，足以滿(mǎn)足FCC的電磁輻射標準，所以設計者根本不用過(guò)分擔心差分線(xiàn)耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。