高速PCB设计问答（一）

1.如何实现高速时钟信号的差分布线？ 在高速设计中，如何解决信号的完整性问题？差分布线方式是如何实现的？对于只有一个输出端的时钟信号线，如何实现差分布线？

专家解答:

信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构和输出阻抗(output impedance)，走线的特性阻抗，负载端的特性，走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式是靠端接(termination)与调整走线的拓朴。

差分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种，一为两条线走在同一走线层(side-by-side)，一为两条线走在上下相邻两层(over-under)。一般以前者side-by-side实现的方式较多。

要用差分布线一定是信号源和接收端也都是差分信号才有意义。所以对只有一个输出端的时钟信号是无法使用差分布线的

2.关于高速差分信号布线.在pcb上靠近平行走高速差分信号线对的时候，在阻抗匹配的情况下，由于两线的相互耦合，会带来很多好处。但是有观点认为这样会增大信号的衰减，影响传输距离。是不是这样，为什么？我在一些大公司的评估板上看到高速布线有的尽量靠近且平行，而有的却有意的使两线距离忽远忽近，我不懂那一种效果更好。我的信号1GHz以上，阻抗为50欧姆。

在用软件计算时，差分线对也是以50欧姆来计算吗？还是以100欧姆来算？接收端差分线对之间可否加一匹配电阻？谢谢！

专家解答:

会使高频信号能量衰减的原因一是导体本身的电阻特性(conductor loss), 包括集肤效应(skin effect), 另一是介电物质的dielectric loss。 这两种因子在电磁理论分析传输线效应(transmission line effect)时, 可看出他们对信号衰减的影响程度。 差分线的耦合是会影响各自的特性阻抗, 变的较小, 根据分压原理(voltage divider)这会使信号源送到线上的电压小一点。 至于, 因耦合而使信号衰减的理论分析我并没有看过, 所以我无法评论。

对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平行。 所谓适当的靠近是因为这间距会影响到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是设计差分对的重要参数。 需要平行也是因为要保持差分阻抗的一致性。 若两线忽远忽近, 差分阻抗就会不一致, 就会影响信号完整性(signal integrity)及时间延迟(timing delay)。

差分阻抗的计算是 2(Z11 - Z12), 其中, Z11是走线本身的特性阻抗, Z12是两条差分线间因为耦合而产生的阻抗, 与线距有关。 所以, 要设计差分阻抗为100欧姆时, 走线本身的特性阻抗一定要稍大于50欧姆。 至于要大多少, 可用仿真软件算出来。接收端差分线对间的匹配电阻通常会加, 其值应等于差分阻抗的值。 这样信号品质会好些。

3. 如何处理实际布线中的一些理论冲突的问题.在实际布线中，很多理论是相互冲突的；例如：

1。处理多个模/数地的接法：理论上是应该相互隔离的，但在实际的小型化、高密度布线中，由于空间的局限或者绝对的隔离会导致小信号模拟地走线过长，很难实现理论的接法。我的做法是：将模/数功能模块的地分割成一个完整的孤岛，该功能模块的模/数地都连接在这一个孤岛上。再通过沟道让孤岛和“大”地连接。不知这种做法是否正确？

2。理论上晶振与CPU的连线应该尽量短，由于结构布局的原因，晶振与CPU的连线比较长、比较细，因此受到了干扰，工作不稳定，这时如何从布线解决这个问题？诸如此类的问题还有很多，尤其是高速PCB布线中考虑EMC、EMI问题，有很多冲突，很是头痛，请问如何解决这些冲突？多谢！

专家解答:

A 基本上, 将模/数地分割隔离是对的。 要注意的是信号走线尽量不要跨过有分割的地方(moat), 还有不要让电源和信号的回流电流路径(returning current path)变太大。

B 晶振是模拟的正反馈振荡电路, 要有稳定的振荡信号, 必须满足loop gain与phase的规范, 而这模拟信号的振荡规范很容易受到干扰, 即使加ground guard traces可能也无法完全隔离干扰。 而且离的太远, 地平面上的噪声也会影响正反馈振荡电路。 所以, 一定要将晶振和芯片的距离进可能靠近。

C 确实高速布线与EMI的要求有很多冲突。 但基本原则是因EMI所加的电阻电容或ferrite bead, 不能造成信号的一些电气特性不符合规范。 所以, 最好先用安排走线和PCB叠层的技巧来解决或减少EMI的问题, 如高速信号走内层。 最后才用电阻电容或ferrite bead的方式, 以降低对信号的伤害。

4.模数部分关于抗干扰的问题.一些系统中经常有A/D，问：要提高抗干扰性，除了模拟地和数字地分开只在电源一点连接，加粗地线和电源线外，希望专家给一些好的意见和建议！

专家解答:

除了地要分开隔离外, 也要注意模拟电路部分的电源, 如果跟数字电路共享电源, 最好要加滤波线路。 另外, 数字信号和模拟信号不要有交错, 尤其不要跨过分割地的地方(moat)。

5.高速信号的自动布线.为了最大限度的保证高速信号质量，我们都习惯于手工布线，但效率太低。使用自动布线器又无法监控关键信号的绕线方式，过孔数目、位置等。手工走完关键信号再自动布线又会降低自动布线的布通率，而且自动布线结果的调整意味着更多的布线工作量，如何平衡以上矛盾，利用优秀的布线器帮助完成高速信号的布线？

专家解答:

现在较强的布线软件的自动布线器大部分都有设定约束条件来控制绕线方式及过孔数目。 各家EDA公司的绕线引擎能力和约束条件的设定项目有时相差甚远。 例如, 是否有足够的约束条件控制蛇行线(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分对的走线间距等。 这会影响到自动布线出来的走线方式是否能符合设计者的想法。 另外, 手动调整布线的难易也与绕线引擎的能力有绝对的关系。 例如, 走线的推挤能力, 过孔的推挤能力, 甚至走线对敷铜的推挤能力等等。 所以, 选择一个绕线引擎能力强的布线器, 才是解决之道。

6关于test coupon.test coupon的设计有什么规范可以参照吗？如何根据板子的实际情况设计test coupon？有什么需要注意的问题？谢谢！

专家解答:

test coupon是用来以TDR (Time Domain Reflectometer) 测量所生产的PCB板的特性阻抗是否满足设计需求。 一般要控制的阻抗有单根线和差分对两种情况。 所以， test coupon上的走线线宽和线距(有差分对时)要与所要控制的线一样。 最重要的是测量时接地点的位置。 为了减少接地引线(ground lead)的电感值， TDR探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信号的地方(probe tip)， 所以， test coupon上量测信号的点跟接地点的距离和方式要符合所用的探棒。

7.关于高速PCB设计中信号层空白区域敷铜接地问题.在高速PCB设计中，信号层的空白区域可以敷铜，那么多个信号层的敷铜是都接地好呢，还是一半接地，一半接电源好呢？

专家解答:

一般在空白区域的敷铜绝大部分情况是接地。 只是在高速信号线旁敷铜时要注意敷铜与信号线的距离， 因为所敷的铜会降低一点走线的特性阻抗。 也要注意不要影响到它层的特性阻抗， 例如在dual stripline的结构时。

8. 特性阻抗.感谢您回答我上次的问题。上回您说电源平面和地平面基本上都是金属平面，所以对电场磁场都有屏蔽效应，那我可以把电源平面上面的信号线使用微带线模型计算特性阻抗吗 电源和地平面之间的信号可以使用带状线模型计算吗？

专家解答:

是的， 在计算特性阻抗时电源平面跟地平面都必须视为参考平面。 例如四层板: 顶层-电源层-地层-底层， 这时顶层走线特性阻抗的模型是以电源平面为参考平面的微带线模型。

9.高速信号线的匹配问题.在高速板(如p4的主板)layour，为什么要求高速信号线(如cpu数据，地址信号线）要匹配 如果不匹配会带来什么隐患？其匹配的长度范围（既信号线的时滞差）是由什么因素决定的，怎样计算？

专家解答:

要求走线特性阻抗匹配的主要原因是要避免高速传输线效应(transmission line effect)所引起的反射(reflection)影响到信号完整性(signal integrity)和延迟时间(flight time)。也就是说如果不匹配，则信号会被反射影响其质量。

所有走线的长度范围都是根据时序(timing)的要求所订出来的。影响信号延迟时间的因素很多，走线长度只是其一。P4要求某些信号线长度要在某个范围就是根据该信号所用的传输模式(common clock或source synchronous)下算得的timing margin，分配一部份给走线长度的允许误差。 至于， 上述两种模式时序的计算， 限于时间与篇幅不方便在此详述。