PCB布線技術(shù)：直角走線究竟會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響？

布局

元器件布局的10條規(guī)則：

1. 遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局．

2. 布局中應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號(hào)流向規(guī)律安排主要元器件．

3. 元器件的排列要便于調(diào)試和維修，亦即小元件周圍不能放置大元件、需調(diào)試的元、器件周圍要有足夠的空間。

4. 相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能采用“對(duì)稱式”標(biāo)準(zhǔn)布局；

5. 按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局；

6. 同類型插裝元器件在X或Y方向上應(yīng)朝一個(gè)方向放置。同一種類型的有極性分立元件也要力爭(zhēng)在X或Y方向上保持一致，便于生產(chǎn)和檢驗(yàn)。

7. 發(fā)熱元件要一般應(yīng)均勻分布，以利于單板和整機(jī)的散熱，除溫度檢測(cè)元件以外的溫度敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件。

8. 布局應(yīng)盡量滿足以下要求：總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號(hào)線最短；高電壓、大電流信號(hào)與小電流，低電壓的弱信號(hào)完全分開；模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開；高頻信號(hào)與低頻信號(hào)分開；高頻元器件的間隔要充分。

9、去偶電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地之間形成的回路最短。

10、元件布局時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于將來(lái)的電源分隔。

布線

（1）布線優(yōu)先次序

鍵信號(hào)線優(yōu)先：摸擬小信號(hào)、高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)優(yōu)先布線

密度優(yōu)先原則：從單板上連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手布線。從單板上連線最密集的區(qū)域開始布線

注意點(diǎn)：

a、盡量為時(shí)鐘信號(hào)、高頻信號(hào)、敏感信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積。必要時(shí)應(yīng)采取手工優(yōu)先布線、屏蔽和加大安全間距等方法。保證信號(hào)質(zhì)量。

b、電源層和地層之間的EMC環(huán)境較差，應(yīng)避免布置對(duì)干擾敏感的信號(hào)。

c、有阻抗控制要求的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量按線長(zhǎng)線寬要求布線。

（2）四種具體走線方式

1 、時(shí)鐘的布線：

時(shí)鐘線是對(duì)EMC 影響最大的因素之一。在時(shí)鐘線上應(yīng)少打過(guò)孔，盡量避免和其它信號(hào)線并行走線，且應(yīng)遠(yuǎn)離一般信號(hào)線，避免對(duì)信號(hào)線的干擾。同時(shí)應(yīng)避開板上的電源部分，以防止電源和時(shí)鐘互相干擾。

如果板上有專門的時(shí)鐘發(fā)生芯片，其下方不可走線，應(yīng)在其下方鋪銅，必要時(shí)還可以對(duì)其專門割地。對(duì)于很多芯片都有參考的晶體振蕩器，這些晶振下方也不應(yīng)走線，要鋪銅隔離。

2、直角走線：

直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響呢？從原理上說(shuō)，直角走線會(huì)使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。其實(shí)不光是直角走線，頓角，銳角走線都可能會(huì)造成阻抗變化的情況。

直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時(shí)間；

二是阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)的反射；

三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。

3、差分走線：

參看：Altium Designer -- 差分布線和阻抗匹配

差分信號(hào)（Differential Signal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。定義：通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。

差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

a.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

b.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

c.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

對(duì)于PCB工程師來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢(shì)。也許只要是接觸過(guò)Layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長(zhǎng)、等距”。

等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)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)候也是差分走線的要求之一。

4、蛇形線：

蛇形線是Layout中經(jīng)常使用的一類走線方式。其主要目的就是為了調(diào)節(jié)延時(shí)，滿足系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)者首先要有這樣的認(rèn)識(shí)：

蛇形線會(huì)破壞信號(hào)質(zhì)量，改變傳輸延時(shí)，布線時(shí)要盡量避免使用。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證信號(hào)有足夠的保持時(shí)間，或者減小同組信號(hào)之間的時(shí)間偏移，往往不得不故意進(jìn)行繞線。

注意點(diǎn)：

成對(duì)出現(xiàn)的差分信號(hào)線，一般平行走線，盡量少打過(guò)孔，必須打孔時(shí)，應(yīng)兩線一同打孔，以做到阻抗匹配。

相同屬性的一組總線，應(yīng)盡量并排走線，做到盡量等長(zhǎng)。從貼片焊盤引出的過(guò)孔盡量離焊盤遠(yuǎn)些。

（3）布線常用規(guī)則

1、走線的方向控制規(guī)則：

即相鄰層的走線方向成正交結(jié)構(gòu)。避免將不同的信號(hào)線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間竄擾；

當(dāng)由于板結(jié)構(gòu)限制（如某些背板）難以避免出現(xiàn)該情況，特別是信號(hào)速率較高時(shí)，應(yīng)考慮用地平面隔離各布線層，用地信號(hào)線隔離各信號(hào)線。

2、走線的開環(huán)檢查規(guī)則：

一般不允許出現(xiàn)一端浮空的布線（Dangling Line），主要是為了避免產(chǎn)生“天線效應(yīng)”，減少不必要的干擾輻射和接受，否則可能帶來(lái)不可預(yù)知的結(jié)果。

3、阻抗匹配檢查規(guī)則：

同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)保持一致，線寬的變化會(huì)造成線路特性阻抗的不均勻，當(dāng)傳輸?shù)乃俣容^高時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免這種情況。

在某些條件下，如接插件引出線，BGA封裝的引出線類似的結(jié)構(gòu)時(shí)，可能無(wú)法避免線寬的變化，應(yīng)該盡量減少中間不一致部分的有效長(zhǎng)度。

4、走線長(zhǎng)度控制規(guī)則：

即短線規(guī)則，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量讓布線長(zhǎng)度盡量短，以減少由于走線過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的干擾問(wèn)題，特別是一些重要信號(hào)線，如時(shí)鐘線，務(wù)必將其振蕩器放在離器件很近的地方。對(duì)驅(qū)動(dòng)多個(gè)器件的情況，應(yīng)根據(jù)具體情況決定采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5、倒角規(guī)則：

PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)避免產(chǎn)生銳角和直角，產(chǎn)生不必要的輻射，同時(shí)工藝性能也不好。

6、器件去藕規(guī)則： A. 在印制版上增加必要的去藕電容，濾除電源上的干擾信號(hào)，使電源信號(hào)穩(wěn)定。

在多層板中，對(duì)去藕電容的位置一般要求不太高，但對(duì)雙層板，去藕電容的布局及電源的布線方式將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有時(shí)甚至關(guān)系到設(shè)計(jì)的成敗。

B. 在雙層板設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)該使電流先經(jīng)過(guò)濾波電容濾波再供器件使用。 C. 在高速電路設(shè)計(jì)中，能否正確地使用去藕電容，關(guān)系到整個(gè)板的穩(wěn)定性。

7、器件布局分區(qū)/分層規(guī)則：

A. 主要是為了防止不同工作頻率的模塊之間的互相干擾，同時(shí)盡量縮短高頻部分的布線長(zhǎng)度。

B. 對(duì)混合電路，也有將模擬與數(shù)字電路分別布置在印制板的兩面，分別使用不同的層布線，中間用地層隔離的方式。

8、地線回路規(guī)則：

環(huán)路最小規(guī)則，即信號(hào)線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積要盡可能小，環(huán)面積越小，對(duì)外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。

9、電源與地線層的完整性規(guī)則：

對(duì)于導(dǎo)通孔密集的區(qū)域，要注意避免孔在電源和地層的挖空區(qū)域相互連接，形成對(duì)平面層的分割，從而破壞平面層的完整性，并進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)線在地層的回路面積增大。

10、3W規(guī)則：為了減少線間串?dāng)_，應(yīng)保證線間距足夠大，當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時(shí)，則可保持70%的電場(chǎng)不互相干擾，稱為3W規(guī)則。如要達(dá)到98%的電場(chǎng)不互相干擾，可使用10W的間距。

11、屏蔽保護(hù)：

對(duì)應(yīng)地線回路規(guī)則，實(shí)際上也是為了盡量減小信號(hào)的回路面積，多見于一些比較重要的信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)，同步信號(hào)；

對(duì)一些特別重要，頻率特別高的信號(hào)，應(yīng)該考慮采用銅軸電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即將所布的線上下左右用地線隔離，而且還要考慮好如何有效的讓屏蔽地與實(shí)際地平面有效結(jié)合。

12、走線終結(jié)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則：

在高速數(shù)字電路中，當(dāng)PCB布線的延遲時(shí)間大于信號(hào)上升時(shí)間（或下降時(shí)間）的1/4時(shí)，該布線即可以看成傳輸線，為了保證信號(hào)的輸入和輸出阻抗與傳輸線的阻抗正確匹配，可以采用多種形式的匹配方法，所選擇的匹配方法與網(wǎng)絡(luò)的連接方式和布線的拓樸結(jié)構(gòu)有關(guān)。

A. 對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入）連接，可以選擇始端串聯(lián)匹配或終端并聯(lián)匹配。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但延遲較大。后者匹配效果好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

B. 對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)多個(gè)輸出）連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)為菊花鏈時(shí)，應(yīng)選擇終端并聯(lián)匹配。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為星型結(jié)構(gòu)時(shí)，可以參考點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。星形和菊花鏈為兩種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)可看成基本結(jié)構(gòu)的變形，可采取一些靈活措施進(jìn)行匹配。

在實(shí)際操作中要兼顧成本、功耗和性能等因素，一般不追求完全匹配，只要將失配引起的反射等干擾限制在可接受的范圍即可。

13、走線閉環(huán)檢查規(guī)則：

防止信號(hào)線在不同層間形成自環(huán)。在多層板設(shè)計(jì)中容易發(fā)生此類問(wèn)題，自環(huán)將引起輻射干擾。

14、走線的分枝長(zhǎng)度控制規(guī)則：

盡量控制分枝的長(zhǎng)度，一般的要求是Tdelay《=Trise/20。

15、走線的諧振規(guī)則：

主要針對(duì)高頻信號(hào)設(shè)計(jì)而言，即布線長(zhǎng)度不得與其波長(zhǎng)成整數(shù)倍關(guān)系，以免產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

16、孤立銅區(qū)控制規(guī)則：

孤立銅區(qū)的出現(xiàn)，將帶來(lái)一些不可預(yù)知的問(wèn)題，因此將孤立銅區(qū)與別的信號(hào)相接，有助于改善信號(hào)質(zhì)量，通常是將孤立銅區(qū)接地或刪除。

在實(shí)際的制作中， PCB廠家將一些板的空置部分增加了一些銅箔，這主要是為了方便印制板加工，同時(shí)對(duì)防止印制板翹曲也有一定的作用。

17、重疊電源與地線層規(guī)則：

不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問(wèn)題一定要設(shè)法避免，難以避免時(shí)可考慮中間隔地層。

18、20H規(guī)則：

由于電源層與地層之間的電場(chǎng)是變化的，在板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾。稱為邊沿效應(yīng)。

解決的辦法是將電源層內(nèi)縮，使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。以一個(gè)H（電源和地之間的介質(zhì)厚度）為單位，若內(nèi)縮20H則可以將70%的電場(chǎng)限制在接地層邊沿內(nèi)；內(nèi)縮100H則可以將98%的電場(chǎng)限制在內(nèi)。

（4）其他對(duì)于單雙層板電源線應(yīng)盡量粗而短。電源線和地線的寬度要求可以根據(jù)1mm的線寬最大對(duì)應(yīng)1A 的電流來(lái)計(jì)算，電源和地構(gòu)成的環(huán)路盡量小。

為了防止電源線較長(zhǎng)時(shí)，電源線上的耦合雜訊直接進(jìn)入負(fù)載器件，應(yīng)在進(jìn)入每個(gè)器件之前，先對(duì)電源去藕。且為了防止它們彼此間的相互干擾，對(duì)每個(gè)負(fù)載的電源獨(dú)立去藕，并做到先濾波再進(jìn)入負(fù)載。