蛇形线（-_PCB设计布线中的3种特殊走线技巧）

3.蛇纹石

蛇形是布局中常用的一种布线方法。其主要目的是调整延迟，满足系统时序设计的要求。设计师首先要意识到蛇形线会破坏信号质量，改变传输延迟，所以布线时尽量避免使用。但在实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者为了减少同一组信号之间的时间偏移，往往需要对其进行刻意的走线。

那么，蛇形线对信号传输有什么影响呢？走路要注意什么？两个最关键的参数是平行耦合长度(Lp)和耦合距离(S)，如图1-8-21所示。显然，当信号在蛇形线上传输时，平行线段会以差模的形式耦合。s越小，Lp越大，耦合度越大。它可能导致传输延迟的减少，并由于串扰而大大降低信号质量。该机制可以参考第三章中对共模和差模串扰的分析。

以下是布局工程师在处理蛇形线时的一些建议：

1.尝试增加平行线段的距离，至少大于3H，其中h是指从信号走线到参考平面的距离。通俗地说，就是把线绕了一个大弯。只要S足够大，几乎可以完全避免互耦效应。

2.减小联轴器长度Lp。当双Lp延迟接近或超过信号上升时间时，串扰将达到饱和。

3.由带状线或嵌入式微带的弯曲引起的信号传输延迟小于微带。理论上，带状线不会因为差模串扰而影响传输速率。

4.对于速度高、时序要求严格的信号线，尽量不要走蛇形线，尤其是小范围内。

5.你可以经常在任何角度使用蛇形布线，比如图1-8-20中的C结构，可以有效降低它们之间的耦合。

6.在高速PCB的设计中，蛇形线没有所谓的滤波或抗干扰能力，只能降低信号质量，所以只用于时序匹配，没有其他用途。

7.有时可以考虑螺旋路线进行缠绕，仿真表明其效果优于普通蛇形路线。

PCB布局的好坏会直接影响到整个系统的性能，而大部分的高速设计理论最终都要通过布局来实现和验证，可见布局在高速PCB设计中的重要性。下面将分析实际布线中可能遇到的一些情况的合理性，并给出一些优化的布线策略。

主要从直角路线、差分路线、蛇形路线三个方面进行阐述。

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1.直角布线

PCB布线一般要求避免直角走线，几乎成为衡量布线质量的标准之一。那么直角路由会对信号传输产生多大的影响呢？原则上，直角布线会改变传输线的线宽，导致阻抗不连续。事实上，不仅直角走线，锐角走线也可能引起阻抗变化。

直角布线对信号的影响主要体现在三个方面：

第一，拐角可以等效为传输线上的容性负载来减缓上升时间；

第二，阻抗不连续会引起信号反射；

三是直角尖端产生的EMI。

传输线直角引起的寄生电容可通过以下经验公式计算：

C=61W瓦1/2/Z0

上式中，C是指拐角的等效电容(单位：pF)，W是指走线的宽度(单位：英寸)，r是指介质的介电常数，Z0是传输线的特性阻抗。例如，对于一条4Mils 50 ohm的传输线(r为4.3)，直角带来的电容约为0.0101pF，然后可以估算出由此引起的上升时间变化：

T10-90%=2.2 * C * Z0/2=2.2 * 0.0101 * 50/2=0.556 PS

通过计算可以看出，直角布线引起的电容效应极小。

随着直角线的线宽增加，这个地方的阻抗会降低，所以会出现一些信号反射。我们可以根据传输线章节提到的阻抗计算公式计算线宽增加后的等效阻抗，然后根据经验公式计算反射系数：

=(Zs-Z0)/(Zs Z0)

一般直角走线引起的阻抗变化在7%-20%之间，所以最大反射系数在0.1左右。而且从下图可以看出，传输线的阻抗在W/2线长的时间内变化到最小值，W/2时间后又恢复到正常阻抗。整个阻抗变化时间极短，往往在10ps以内，这样快速而轻微的变化对于一般的信号传输几乎可以忽略不计。

很多人对直角布线有这样的认识，认为尖端容易发射或接收电磁波，产生EMI，这也成为很多人认为直角布线不可以的原因之一。但很多实际测试结果表明，直角路由并不会比直线路由产生明显的EMI。也许目前的仪器性能和测试水平制约了测试的准确性，但至少说明了一个问题：直角路线的辐射已经小于仪器本身的测量误差。

总的来说，直角走路并没有想象中那么可怕。至少在低于GHz的应用中，电容、反射、EMI等任何效应。由它产生的几乎不能在TDR测试中反映出来。高速PCB设计工程师应关注布局、电源/接地设计、布线设计、过孔和其他方面。当然，虽然直角路由的影响不是很严重，但并不意味着以后我们都可以走直角路由。注重细节是每个优秀工程师必须具备的基本素质。而且随着数字电路的快速发展，PCB工程师处理的信号频率会不断增加。在10GHz以上的射频设计领域，这些小直角可能成为高速问题的重点对象。

2.差分路由

差分信号在高速电路设计中的应用越来越广泛，而电路中最关键的信号往往采用差分结构设计。为什么这么受欢迎？如何才能保证其在PCB设计中的良好表现？带着这两个问题，我们来讨论下一部分。

什么是差分信号？通俗地说，驱动器发出两个数值相等、相位相反的信号，接收器通过比较两个电压的差值来判断逻辑状态是“0”还是“1”。承载差分信号的一对走线被称为差分走线。

与普通单端信号路由相比，差分信号最明显的优势如下：

A.抗干扰能力强，因为两条差分走线之间的耦合非常好。当外界有噪声干扰时，几乎是同时耦合到两条线上，而接收端只关心两个信号的差别，所以外界的共模噪声可以完全抵消。

B.可以有效抑制EMI。同理，由于两个信号的极性相反，其外部辐射的电磁场可以相互抵消。耦合越紧密，向外界释放的电磁能量越少。

C.精确的定时定位。由于差分信号的开关变化位于两个信号的交汇处，不像普通的单端信号以阈值电压的高低来判断，受工艺和温度的影响较小，可以减小定时误差，更适用于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS(低压差分信号)就是指这种小幅度差分信号技术。

对于PCB工程师来说，他们最关心的是如何保证差分布线的这些优势能够在实际布线中得到充分发挥。可能接触过布局的人都会知道差分布线的一般要求，那就是“等长等距”。等长是为了保证两路差分信号始终保持相反的极性，减少共模成分；等距离主要是为了保证相同的差分阻抗，减少反射。“尽可能接近”的原则有时是差分路由的要求之一。但所有这些规则都不是机械使用的，许多工程师似乎仍然没有理解高速差分信号传输的本质

误解1:认为差分信号不需要接地层作为返回路径，或者认为差分走线为彼此提供了返回路径。造成这种误解的原因是我们被表面现象所迷惑或者对高速信号传输的机理认识不够深入。从图1-8-15的接收端结构可以看出，晶体管Q3和Q4的发射极电流大小相等方向相反，它们在地的电流正好相互抵消(I1=0)，所以差分通道对电源和地平面上可能存在的类似地炸弹和其他噪声信号不敏感。接地层的部分返回消除并不意味着差分通道不使用参考层作为信号返回路径。其实在信号回流分析中，差分走线的机理和普通单端走线是一样的，即高频信号总是沿着电感最小的回路回流。最大的区别是差分线除了耦合到地之外，还互相耦合，耦合强的成为主要的返回路径。图1-8-16是单端信号和差分信号的地磁场分布图。

在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合很小，往往只占耦合度的10~20%，更多的是对地的耦合，所以差分走线的主要返回路径仍然存在于接地层。当接地层不连续时，差分走线之间的耦合将在没有参考层的区域提供主要的返回路径，如图1-8-17所示。虽然参考面的不连续性对差分走线的影响没有普通单端走线那么严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，应该尽量避免。一些设计人员认为可以移除差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的一些共模信号，但这在理论上是不可取的。阻抗怎么控制？不为共模信号提供阻抗环路，必然会产生EMI辐射，弊大于利。

误区二：认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际PCB布线中，无法同时满足差分设计的要求。由于引脚分布、过孔、走线空间等因素的影响，要达到线长匹配的目的，需要进行适当的走线，但结果必然是差分对的某些区域无法平行。这个时候应该怎么选择？在下结论之前，我们先来看看下面的模拟结果。

从上面的仿真结果可以看出，方案1和方案2的波形几乎重合，也就是说间距不相等的影响最小，线长不匹配对时序的影响要大得多(方案3)。从理论上分析，虽然间距的不同会导致差分阻抗的变化，但是由于差分对之间的耦合不明显，阻抗变化的范围也很小，通常在10%以内，只相当于一个过孔引起的反射，不会对信号传输产生明显的影响。然而，一旦线路长度不匹配，不仅会发生时序偏移，而且会在差分信号中引入共模成分，从而降低信号质量并增加EMI。

可以说PCB差分走线设计中最重要的规则是匹配线长，其他规则可以根据设计要求和实际应用灵活处理。

误解3:我认为差分路由必须靠得很近。使差分走线相互靠近，无非是增强其耦合性，既能提高对噪声的抗扰度，又能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。虽然这种方法在大多数情况下非常有益，但它不是绝对的。如果能保证它们完全屏蔽外界干扰，那么就不需要通过相互之间的强耦合来达到抗干扰和抑制EMI的目的。怎样才能保证差分布线有良好的隔离和屏蔽？增加与其他信号迹线的距离是最基本的方法之一。电磁场的能量与距离成平方关系递减。一般当线间距超过4倍线宽时，它们之间的干扰极其微弱，基本可以忽略。另外，接地层的隔离也能起到很好的屏蔽作用。这种结构常用于高频(10G以上)IC封装PCB的设计，称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制(2Z0)，如图1-8-19所示。

差分布线也可以在不同的信号层走线，但一般不推荐，因为不同层产生的阻抗和过孔的差异会破坏差模传输的效果，引入共模噪声。另外，如果相邻两层耦合不够紧密，差分布线抗噪声的能力会降低，但如果能与周围布线保持适当的距离，串扰就不是问题。在一般频率下(GHz以下)，EMI不会是一个严重的问题。实验表明，500Mils距离的差分线在3米距离的辐射能量衰减已经达到60dB，足以满足FCC电磁辐射标准。因此，设计人员不必过于担心差分线耦合不足导致的电磁不兼容问题。