作者：Edwin Robledo，譯者：紫蔬

在Fusion 360中，我們關(guān)注于使電子工程師能夠輕松設(shè)計(jì)具有高速信號(hào)元器件的電路板。Fusion 360信號(hào)完整性擴(kuò)展程序有助于提高產(chǎn)品合規(guī)性和性能，減少實(shí)物電路板測(cè)試和原型制作的昂貴花費(fèi)，并加快高速電路板開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

在使用高速信號(hào)元器件布置電路板時(shí)，需要遵循許多經(jīng)驗(yàn)法則。讓我們看看其中的一些，探索為什么遵循它們是有意義的，并了解什么時(shí)候可以不用。

1.盡可能保持您的布線路徑短而直

這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是一個(gè)金標(biāo)準(zhǔn)。短直線布線具有最小的時(shí)間延遲，并保持一致的阻抗。像Fusion 360 Signal Integrity Extension（信號(hào)完整性擴(kuò)展程序）這樣的電路板布局模擬軟件可以計(jì)算沿著其長(zhǎng)度的跡線的阻抗，讓您知道不連續(xù)性是否存在以及在哪里存在。

使用Fusion 360信號(hào)完整性擴(kuò)展程序，我們可以看到直線布線沿其長(zhǎng)度呈現(xiàn)恒定阻抗。

Fusion 360 Electronics的信號(hào)完整性擴(kuò)展程序擴(kuò)展顯示了具有恒定50.3Ω阻抗的布線。

2.不要使用90°角（沒(méi)關(guān)系，你可以使用）

這是一條常見(jiàn)的規(guī)則，幾乎與被反駁的頻率一樣頻繁。這條規(guī)則的共同點(diǎn)是，90°角會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，也就是說(shuō)，當(dāng)直線軌跡上有90°角時(shí)，阻抗會(huì)發(fā)生變化。除非你在亞毫米波段工作，否則情況并非如此。請(qǐng)注意，使用90°直角布線的該跡線保持恒定阻抗。

90°直角布線不會(huì)影響跡線的阻抗。

在高速信號(hào)設(shè)計(jì)中布線時(shí)，需要考慮電場(chǎng)重疊的情況，這也是我們?cè)诰€路下面敷銅的原因。一起看看如果我們把線路來(lái)回移動(dòng)靠近它自己的話，會(huì)發(fā)生什么吧。

重疊的電場(chǎng)將導(dǎo)致跡線阻抗的變化。

我們看到阻抗現(xiàn)在在變化。是的，雖然變化不是很多，但它仍然在變化，因?yàn)殡妶?chǎng)現(xiàn)在存在重疊的情況。

相鄰跡線在確定阻抗方面也起著作用。

相鄰布線也會(huì)改變線路的阻抗。

請(qǐng)注意，當(dāng)磁場(chǎng)由于彼此靠近而可能重疊時(shí)，會(huì)發(fā)生阻抗變化。

還要注意，跡線越靠近相鄰跡線，阻抗不連續(xù)性越大。

跡線越近，阻抗變化越大。

因此，90°角在阻抗不連續(xù)性中不起作用。重要的是相鄰的電場(chǎng)足夠接近而重疊——這將影響阻抗。

那么，有什么理由遵循沒(méi)有90°直角的規(guī)則嗎？是的，如果您正在設(shè)計(jì)高壓電路板，任何尖銳的角落都會(huì)集中電場(chǎng)，并可能導(dǎo)致發(fā)生弧閃（Flashover Arcs）。使用45°角的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是跡線更短，環(huán)路面積更小，從而減少EMI（電磁干擾），信號(hào)到達(dá)更快。

說(shuō)到信號(hào)到達(dá)，讓我們來(lái)看看長(zhǎng)度匹配的重要性。

3.長(zhǎng)度匹配高速信號(hào)，避免信號(hào)到達(dá)時(shí)間不匹配

當(dāng)布線高速信號(hào)時(shí)，重要的是跟蹤長(zhǎng)度匹配，因?yàn)殚L(zhǎng)度不匹配意味著信號(hào)到達(dá)時(shí)間不匹配?？紤]一個(gè)高速時(shí)鐘信號(hào)及其相關(guān)數(shù)據(jù)。

來(lái)源:Difference Between Serial Communication Function With and Without Clock | Renesas Customer Hub.

https://en-support.renesas.com/knowledgeBase/17943143

該時(shí)鐘的上升沿確定要讀取的數(shù)據(jù)是零還是一。對(duì)于高速信號(hào)，信號(hào)沿軌跡傳播所需的時(shí)間（稱為傳播延遲）可以在信號(hào)是否被正確讀取方面發(fā)揮作用。檢查下面的情況，底部時(shí)鐘跡線比頂部數(shù)據(jù)跡線長(zhǎng)。

不相等跡線長(zhǎng)度導(dǎo)致的脈沖到達(dá)時(shí)間有所差異（也稱為傳播延遲或時(shí)間延遲）。

在這種情況下，時(shí)鐘信號(hào)比串行數(shù)據(jù)信號(hào)延遲得多，接收器不能讀取到01101，而是將錯(cuò)誤地“看到”11010。所以高速信號(hào)的長(zhǎng)度匹配很重要。Fusion 360中的信號(hào)完整性擴(kuò)展程序計(jì)算了跡線中的傳播延遲，從而可以很容易地看出信號(hào)的定時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

Fusion 360 Electronics的信號(hào)完整性擴(kuò)展程序?qū)槟?jì)算跡線傳播延遲。

這里我們可以看到，兩條跡線之間的傳播時(shí)間差為591.29ps。如果我們的時(shí)鐘頻率脈沖開(kāi)啟時(shí)間開(kāi)始接近兩條跡線之間的傳播速度差，我們將在數(shù)據(jù)讀取中出現(xiàn)錯(cuò)誤。

考慮傳播時(shí)間差小于脈沖接通時(shí)間的情況。

我們可以在上面看到發(fā)送的數(shù)據(jù) = 接收的數(shù)據(jù)。

然而，到達(dá)時(shí)間差越接近脈沖接通時(shí)間，就越可能發(fā)生錯(cuò)誤。

數(shù)據(jù)和時(shí)鐘之間的時(shí)間差稱為時(shí)鐘偏差。這就引出了我們的下一條經(jīng)驗(yàn)法則。

4.保持時(shí)鐘偏差小于時(shí)鐘周期的1/10

我們可以從上面的示例中看到，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則使時(shí)鐘邊緣遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換區(qū)。如果我們的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的差異大于時(shí)鐘周期的1/10，我們需要延長(zhǎng)更快的信號(hào)。

5.延長(zhǎng)跡線以均衡定時(shí)延遲

有幾種方法可以延長(zhǎng)跡線，以便將時(shí)間差異納入規(guī)范中。如果長(zhǎng)度不匹配很小，可以通過(guò)重新布線跡線使其稍長(zhǎng)來(lái)延長(zhǎng)。Fusion 360 Electronics中的信號(hào)完整性擴(kuò)展程序工具將顯示跡線的傳播延遲，您可以決定是否需要調(diào)整長(zhǎng)度或使用折彎跡線命令延長(zhǎng)長(zhǎng)度。

6.折彎線路時(shí)遵循4X規(guī)則

折彎意味著來(lái)回移動(dòng)跡線以延長(zhǎng)它?？紤]所示的電路板，注意底部跡線比頂部跡線短得多，而且速度明顯快。

頂部跡線大約是底部跡線的兩倍長(zhǎng)。

折彎底部跡線會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的長(zhǎng)度和傳播延遲，這可能在規(guī)范范圍內(nèi)。Fusion 360 Electronics允許您在單端信號(hào)和差分信號(hào)之間進(jìn)行迂回。

底部跡線加長(zhǎng)以匹配頂部跡線的長(zhǎng)度。

當(dāng)折彎時(shí)，電路板設(shè)計(jì)者通常遵循4X規(guī)則：將折彎之間的距離保持為跡線寬度的4X（4倍），因?yàn)檫@將最小化阻抗不連續(xù)性。讓我們看看這個(gè)例子中的跡線阻抗。

底部跡線由于間距小而緊密耦合。

相鄰跡線之間存在許多不連續(xù)性，這是電場(chǎng)相互重疊導(dǎo)致的?？纯串?dāng)我們將間距設(shè)為跡線寬度的4倍時(shí)會(huì)發(fā)生什么。阻抗現(xiàn)在變得一致啦！

阻抗現(xiàn)在一致啦。

差分布線也可能需要延長(zhǎng)，但讓我們等到稍后討論差分信號(hào)時(shí)再說(shuō)吧。

7.遵循3W規(guī)則以最小化串?dāng)_

在早期的電話時(shí)代，如果承載通話的電纜中的電線并排，您可以聽(tīng)到鄰居的談話。這種現(xiàn)象稱為“串?dāng)_”。

考慮傳統(tǒng)的單端數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)由代表1和0的高電壓和低電壓組成。

單端信號(hào)。

然而，附近的線路會(huì)將不需要的噪聲耦合到信號(hào)上。

如果來(lái)自“侵略信號(hào)”的耦合噪聲（不需要的信號(hào)）足夠大，則“受害信號(hào)”（需要的信號(hào)）可能被嚴(yán)重地混淆。

串?dāng)_的3W規(guī)則規(guī)定，平行跡線之間的距離應(yīng)至少為3W，從跡線的中心到中心進(jìn)行測(cè)量，以最小化它們之間的耦合，其中W=跡線的寬度。當(dāng)然，更多的空間是更好的，特別是當(dāng)頻率增加到GHz區(qū)域或長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)。還要注意的是，3W規(guī)則假設(shè)相鄰層上有敷銅，因?yàn)檫@將電場(chǎng)限制在跡線兩側(cè)較小的距離。

可以將兩條相鄰的跡線視為電容耦合的兩條跡線。電容器只是由絕緣體隔開(kāi)的兩個(gè)極板，正好是兩個(gè)相鄰的跡線，絕緣體是它們之間的空氣。與電容器一樣，極板之間的距離越大，電容越小。電容越低，耦合信號(hào)越小。類似地，電路板越長(zhǎng)，電容越大，耦合信號(hào)越大。所以，在高速設(shè)計(jì)中，盡量保持跡線短而遠(yuǎn)。

8.遵循差分時(shí)鐘的8W間隔（或探索其他規(guī)則）

高速差分信號(hào)需要更大的間隔。此規(guī)則可保持所需的信號(hào)阻抗。此8W規(guī)則也適用于同一層上的敷銅?？紤]以下USB差分信號(hào)：

70.2Ω阻抗的跡線。

上圖示例里，大多數(shù)跡線的阻抗為70.2Ω?？纯慈绻覀?cè)诳拷盘?hào)的頂層放置接地敷銅，阻抗會(huì)發(fā)生什么變化。線路阻抗幾乎全部為61Ω。

阻抗隨頂部接地敷銅顯著變化。

但是，按照我們的8W規(guī)則，放入80mil 間距，我們得到了之前的阻抗70.2Ω。

將接地敷銅與跡線隔開(kāi)，使阻抗回到70.2Ω。

8W規(guī)則是保守的數(shù)字，有些使用5W甚至3H，其中H = 接地層和信號(hào)層之間的電介質(zhì)高度。通過(guò)信號(hào)完整性擴(kuò)展程序，F(xiàn)usion 360 Electronics可以向您顯示計(jì)算的阻抗值，并幫助您確定擁擠信號(hào)線路之間的影響。

9.差分布線的長(zhǎng)度不匹配沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)法則

到目前為止，我們已經(jīng)多次提到差分信號(hào)，因此讓我們更詳細(xì)地了解它們。

差分信號(hào)在HDMI、USB、LVDS等高速通信標(biāo)準(zhǔn)中非常常見(jiàn)。這是因?yàn)樗鼈兛乖胍?。讓我們看看他們?yōu)槭裁茨芫芙^噪音。

差分信號(hào)由兩個(gè)信號(hào)D+（D_P）和D-（D_N）組成。這對(duì)電線上的信號(hào)極性相反。

差分信號(hào)極性相反。

差分信號(hào)的接收端從正信號(hào)中減去負(fù)信號(hào)，得到恢復(fù)信號(hào)。

正如我們前面所說(shuō)的，差分信號(hào)的真正優(yōu)點(diǎn)是它們可以抑制噪聲?？紤]附近具有不希望的干擾信號(hào)的差分信號(hào)，該干擾信號(hào)將信號(hào)耦合到每個(gè)差分線。

產(chǎn)生的耦合信號(hào)將以相同的極性出現(xiàn)在差分布線的每條跡線上。即：

在接收機(jī)處，兩個(gè)噪聲信號(hào)彼此相減，我們得到兩個(gè)沒(méi)有任何干擾噪聲的差分信號(hào)。即，

（D_P+Aggressor）–（D_N+Aggressor）=D_P – D_N

而且，從前面我們知道D_P – D_N = 兩倍大的單個(gè)信號(hào)。從圖形上看，它意味著：

兩種信號(hào)的共同噪聲消失了。

差分信號(hào)也對(duì)信號(hào)對(duì)之間的定時(shí)差敏感?？紤]以下情況，其中一對(duì)信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)必須傳播更長(zhǎng)的距離，因此到達(dá)時(shí)間較晚。

從D_P減去D_N后的結(jié)果如下：

也許接收機(jī)能正確解碼D_P–D_N，也許不能。這就引出了我們的下一條經(jīng)驗(yàn)法則：差分布線的長(zhǎng)度不匹配沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)法則。

高速信號(hào)規(guī)格將確定差分布線的長(zhǎng)度最大的不匹配值。遵守技術(shù)規(guī)格說(shuō)明，不然任何其他情況都可能導(dǎo)致不必要的EMI或EMC問(wèn)題。

10.了解對(duì)內(nèi)和對(duì)間延時(shí)差 （Understand intra pair and inter pair skew）?

對(duì)內(nèi)延時(shí)差(Intra-pair skew)是單個(gè)差分對(duì)的布線路徑之間的時(shí)間差。如上所示，不同的時(shí)差會(huì)干擾信號(hào)，使其變得不可用。解決方案是延長(zhǎng)較短的差分對(duì)。

差分對(duì)之間的不同長(zhǎng)度。

“meander 1800 mil”命令會(huì)讓時(shí)鐘線延長(zhǎng)到1800 mil（數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度）。

折彎命令用于延長(zhǎng)差分對(duì)的線路長(zhǎng)。?

請(qǐng)注意，折彎還調(diào)整了時(shí)鐘差分對(duì)的長(zhǎng)度，以最小化對(duì)間偏移。

Fusion 360信號(hào)完整性擴(kuò)展程序使電路板設(shè)計(jì)者能夠模擬跡線的阻抗和傳播延遲?？梢钥吹介g距、跡線寬度、信號(hào)擁擠和層堆疊對(duì)阻抗控制線路的影響。經(jīng)驗(yàn)法則可以得到驗(yàn)證，所提供的見(jiàn)解可以用來(lái)確定是否需要遵循經(jīng)驗(yàn)法則。通過(guò)Fusion 360信號(hào)完整性擴(kuò)展程序，設(shè)計(jì)人員可以修改和調(diào)整跡線長(zhǎng)度和路徑，提高電路板的信號(hào)完整性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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審核編輯：湯梓紅