高速电路设计中串行信号的PCB设计

根据近几年对速率的要求快速提高，新的总线协议也在不断的提出更高的速率。传统的总线协议已经不能够满足如今的PCB设计要求了。串行总线由于其更好的抗干扰性，以及更少的信号线，更高的速率获得了众多PCB设计者的青睐。而串行总线又尤以差分信号的方式为最多。

一、差分信号的概念和优点

差分信号（Differential Signal）在高速PCB电路设计中的应用越来越广泛，PCB电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。何为差分信号？通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”，而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号与普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：

1、抗干扰能力强

因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

2、能有效抑制EMI

由于PCB上的两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消。耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多

3、泄露到外界的电磁能量越少

时序定位精确。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阀值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。

二、高速串行信号在PCB上的设计要点

高速串行信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域。高速串行信号不仅是差分信号，而且还是高速数字信号。因此高速串行信号传输媒质不管使用的是PCB线还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时应减少电磁干扰以保证信号的完整性。只要我们在布线时考虑到以上这些要素，设计高速差分线路板并不很困难。下面简要介绍高速串行信号在PCB上的设计要点：

1、将PCB布成多层板

有高速串行信号的PCB一般都要布成多层板。由于高速串行信号属于高速信号，与其相邻的层应为地层，对高速串行信号进行屏蔽防止干扰。对于密度不是很大的PCB板，在物理空间条件允许的情况下，最好将高速串行信号与其它信号分别放在不同的层。例如，在四层板中，通常可以按四个方面进行布层：高速串行信号层、地层、电源层、其它信号层。

2、高速串行信号阻抗计算与控制

高速串行信号的电压摆幅较低,适于电流驱动的差分信号方式工作。为了确保信号在传输线当中传播时不受反射信号的影响，高速串行信号要求传输线阻抗受控，通常差分阻抗为100- /-10Ω（USB 为90ohm）。阻抗控制的好坏直接影响信号完整性及延迟。如何对其进行阻抗控制呢？

1）确定走线模式、参数及阻抗计算

高速串行分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式。阻抗可以通过合理设置参数，利用相关软件计算得出。通过计算，阻抗值与PCB绝缘层厚度成正比，与介电常数、导线的厚度及宽度成反比。

2）走平行等距线及紧耦合原则

确定PCB走线线宽及间距后，在PCB走线时严格按照计算出的线宽和间距，两线的间距要一直保持不变，也就是要保持平行（可以放图）。同时在计算线宽和间距时最好遵守紧耦合的原则，也就是差分对线间距小于或等于线宽。当两条差分信号线距离很近时，电流传输方向相反，其磁场相互抵消，电场相互耦合，电磁辐射也要小得多。而且要两条线走在同一层，避免分层走线。因为在实际的PCB加工过程中，由于层叠之间的层压对精确度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间介质厚度，会造成层间差分对的差分阻抗变化。

3）走短线、直线

为确保信号的质量，高速串行差分对走线应该尽可能地短而直，减少PCB布线中的过孔数，避免差分对布线太长，出现太多的拐弯，拐弯处尽量用45°或弧线，避免90°拐弯。

3、不同差分线对间处理

差分对走线方式的选择没有限制，微带线和和带状线均可，但是必须注意要有良好的PCB参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小，至少应大于3-5倍差分线间距。必要时在不同差分线对之间加地孔隔离以防止相互间的串扰。高速串行信号尽量远离其它信号。高速串行差分信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。

4、接收端的匹配电阻的PCB布局

对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量靠近。同时匹配电阻的精度要控制。对于点到点的拓扑，走线的阻抗通常控制在100Ω,但匹配电阻可以根据实际的情况进行调整。电阻的精确度最好是1％-2％。因为根据经验，10％的阻抗不匹配就会产生5％的反射。

三、结束语

在高速串行信号的设计中，不仅考虑电路设计，其板图设计和仿真分析也同样的重要，而且随着信号的频率越来越大，影响信号的延时、串扰、信号完整性等的因素越来越复杂。