硬件系统工程师宝典(44)-----差分信号走线“相位失配”怎么破?

各位同学大家好,欢迎继续做客电子工程学习圈,今天我们继续来讲这本书,硬件系统工程师宝典。

上篇我们说到了PCB在布局时除了要满足结构需求,还要考虑模块划分、特殊器件的布局以及散热问题。今天来说说高速PCB布线的一些注意事项。

PCB布线

对于低速PCB的布线设计,PCB走线只要连通各个元器件引脚即可,无需考虑PCB走线的寄生参数。当信号的工作频率不断提升,这时PCB走线已经不能看成是一根单纯的导线了,需要考虑其寄生参数,如阻抗损耗、相邻信号的耦合、走线阻抗不连续、信号反射带来的信号干扰等问题。因此,在布线之前我们需要明确各类走线的规则。

电源和地走线

在空间允许的情况下,电源和地尽量以平面形式提供,走线时尽量加宽走线的宽度。若空间有限,需要对电源和地走线上的电流进行估算,以确定线宽。

差分信号的走线

差分线常用在高速链路、对噪声敏感等应用场合,具有抗干扰能力强、信噪比高、辐射小等众多优势,是因为它采用了差动传输,两根线需保持180°的相位差,否则会由于相位失配影响差分线性能。

差分走线的传输线模型

那么在layout时必须做到差分线等长的要求。当有相位失配时,需要对差分线进行补偿。以下举例了三种补偿方式:1.使用一个大Segment(弓形)补偿,在相位失配处采用大绕线进行相位补偿,如下图所示:

就近大Segment补偿

2.使用小凸起沿线补偿,如下图所示:

使用小凸起沿线补偿

3.在走线末端进行补偿,如下图所示:

在走线末端进行相位补偿

根据一般的设计经验,第一种情况使用大的Segment就近补偿会造成大的阻抗不连续;第二种采用小凸起的相位补偿就是为了减小这种阻抗不连续;第三章情况在走线末端进行相位补偿会导致走线的大部分地方相位没办法同步。

为保证较好的差分信号质量,作者在分别对这几种微带线和带状线差分信号走线进行仿真后得出结论:

1.对差分线的补偿,在相位失配处就近采取补偿可以得到比较好的效果

2.采用大的Segment快速做出补偿要优于小段沿线补偿

3.微带差分走现在做补偿时,阻抗变动较小,因此引起的反射较小

4.微带差分线对相位差异的敏感要高于带状差分线

5.做相位补偿时,要控制绕线部分的Gap,以减小耦合强度

6.要注意不正确的补偿方式导致的共模噪声

关键高速信号走线

关键的高速信号走线一般有CPU与存储类的走线,如SDRAM、SGMII接口、PCIE接口、HDMI接口走线等。

此类高速信号包含单端信号和差分信号,差分信号按照差分走线方式进行走线,单端信号需要选定相应参考平面,尽量选择地平面做参考平面,没有地平面时可适当选取电源平面作为参考平面。可以在走线换层的地方适当增加与参考平面相对应的过孔,保证信号回流路径的完整,避免回流路径的切断而引入大的回路电感。​

普通信号的走线

普通信号的走线在空间允许的情况下,也可以按照高速信号走线的方式进行PCB设计,同样会获得更好的EMC特性,使系统具有更强的鲁棒性。


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