1. 在地平面上走高速信號線

根據(jù)經(jīng)驗，在信號走線下方有一個地平面是最有益的。為獲得最佳效果，設(shè)計人員應(yīng)至少采用四層 PCB。四層 PCB 允許將內(nèi)層之一用于完整的接地層。接地層是一片銅，形成 PCB 的其中一層，并覆蓋 PCB 一層的整個區(qū)域。這可確保 PCB 中任意兩個接地點(diǎn)之間的阻抗最小。永遠(yuǎn)不應(yīng)通過在其中布線任何軌道來破壞該地平面。

當(dāng)最靠近地平面的外層用于安裝所有高速組件時，如使用微帶線或共面走線的 RF 組件。另一側(cè)用于安裝不太重要的組件。第二個內(nèi)層用于電源層。電源層盡可能大以降低阻抗。

圖1：四層PCB結(jié)構(gòu)

在成本最小化方面，雙面 PCB 可能是正確的選擇。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是相當(dāng)困難的。當(dāng)需要在同一區(qū)域內(nèi)的 PCB 兩側(cè)布線時，不再保證良好的接地層。唯一的解決方案是在通過大量過孔互連的走線兩側(cè)實(shí)施接地層，如圖 (2) 所示。

圖 2：顯示用于縫合接地層的過孔的 PCB

當(dāng)?shù)仄矫嬖陧攲雍偷讓又g共享時，設(shè)計雙面 PCB 變得復(fù)雜。設(shè)計人員應(yīng)確保在最關(guān)鍵的部分下至少有一個完整的地平面。頂部必須盡可能多地用于布線，底部有幾條走線。需要大量互連通孔來互連頂部和底部接地。最重要的是，走線不應(yīng)與兩層板另一側(cè)的高速走線交叉。

在危急情況下有時會實(shí)施分離地平面。例如，邏輯部分的地平面和模擬組件的地平面，連接在一個點(diǎn)上。

這個概念是為了減少模擬地平面中的噪聲?？杀氖?，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這樣的想法是非常具有挑戰(zhàn)性的。特別是，然后必須將所有從一個區(qū)域到另一個區(qū)域的走線完全排布在該互連點(diǎn)上方，如圖 (3) 所示。如果不是，那么這些走線將充當(dāng)天線，發(fā)送或接收雜散信號。在大多數(shù)情況下，只要元件放置在適當(dāng)?shù)慕拥夭糠郑暾膯我唤拥乇确蛛x接地更可靠并且提供更好的結(jié)果。

圖 3：返回電流回路

通常，避免分離接地平面，除非有特殊需要，例如降低強(qiáng) ESD 風(fēng)險和降低模擬接地噪聲。

2. 通過在網(wǎng)格中放置過孔來避免平面隔斷。

信號過孔會在電源層和接地層中產(chǎn)生空隙。過孔位置不當(dāng)會產(chǎn)生平面區(qū)域，其中電流密度增加。這些區(qū)域稱為熱點(diǎn)。必須避免這些熱點(diǎn)。最好的解決方案是將圖 (4) 中所示的過孔放置在一個網(wǎng)格中，在過孔之間留出足夠的空間供電源平面通過。根據(jù)經(jīng)驗，盡可能將過孔放置在相距 15 密耳的位置。

圖 4：以網(wǎng)格模式布線過孔以避免熱點(diǎn)

3. 在走高速信號線時保持 135? 走線彎曲，而不是 90?。

在走高速信號線時，彎曲應(yīng)該保持最小。如果需要彎曲，則應(yīng)實(shí)施 135° 彎曲而不是 90°，如圖（5，右側(cè)）所示。在 90 度時，無法保證PCB 蝕刻的平滑度。此外，非常高速的銳邊充當(dāng)天線。

圖 5：保持 135? 彎曲而不是 90?。

為了實(shí)現(xiàn)特定的走線長度，需要如圖 (6) 所示的蛇形走線。同一走線中相鄰銅線之間的最小距離必須為走線寬度的 4 倍。每段彎曲應(yīng)為走線寬度的 1.5 倍。CAD 工具中的大多數(shù)DRC不會檢查這些最小距離，因為跡線是同一網(wǎng)絡(luò)的一部分。

圖 6：在彎曲處保持最小距離和線段長度。

4. 增加瓶頸區(qū)域外的信號之間的距離，以規(guī)避串?dāng)_。

走線之間應(yīng)保持最小距離以最小化串?dāng)_。串?dāng)_水平取決于兩條走線之間的長度和距離。在某些區(qū)域，走線的布線達(dá)到瓶頸，其中走線比預(yù)期的要近。在這種情況下，應(yīng)該增加瓶頸外的信號之間的距離。即使?jié)M足最低要求，間距也可以進(jìn)一步增加一點(diǎn)。

圖 7：盡可能增加走線之間的間距。

5. 通過實(shí)施菊花鏈布線來保持信號完整性，避免長尾線走線。

長短線跡線可能充當(dāng)天線，因此會增加符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的問題。短線跡線還會產(chǎn)生反射，對信號完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。高速信號上的上拉或下拉電阻器是常見的短截線來源。如果需要此類電阻器，則將信號路由為菊花鏈，如圖 (8) 所示。

圖 8：通過實(shí)施菊花鏈布線來避免短線走線。

6. 不要在差分對之間放置任何元件或過孔

當(dāng)高速差分對彼此平行布線時，它們之間應(yīng)保持恒定的距離。該距離有助于實(shí)現(xiàn)指定的差分阻抗。設(shè)計人員應(yīng)盡量減少因焊盤入口而擴(kuò)大指定間距的區(qū)域。差分對應(yīng)該對稱布線。

圖 9：對稱布線差分對并保持信號平行。

即使信號如圖 (10) 所示對稱布線，設(shè)計人員也不應(yīng)在差分對之間放置任何組件或過孔。在差分對之間放置元件和過孔可能會導(dǎo)致 EMC 問題和阻抗不連續(xù)性。

圖 10：不要在差分之間包含任何組件或過孔。

一些高速差分對需要串聯(lián)耦合電容。這些電容器應(yīng)對稱放置。電容器和焊盤產(chǎn)生阻抗不連續(xù)性。0402 等尺寸的電容器比 0603 更可取。必須避免使用較大的封裝，例如 0805 或 C-pack。閱讀我們?nèi)绾螠p少 PCB 布局中的寄生電容。

圖 11：對稱放置耦合電容器

由于過孔在阻抗中引入了巨大的不連續(xù)性，因此必須減少過孔的數(shù)量并且應(yīng)該對稱放置。

圖 12：對稱放置過孔。

在布線差分對時，兩條走線應(yīng)布線在同一層，以滿足阻抗要求，如圖 (13) 所示。此外，走線中應(yīng)包含相同數(shù)量的過孔。

圖 13：在同一層上布線對并放置相同數(shù)量的過孔。

7. 結(jié)合長度匹配以實(shí)現(xiàn)正負(fù)信號之間的緊密延遲偏斜。

高速接口對到達(dá)目的地的時間有額外的要求，稱為不同走線和信號對之間的時鐘偏差。例如，在高速并行總線中，所有數(shù)據(jù)信號都需要在一個時間段內(nèi)到達(dá)，以滿足接收器的建立和保持時間要求。PCB 設(shè)計人員應(yīng)確保不超過允許的偏斜。為了達(dá)到這個要求，長度匹配是必要的。閱讀我們關(guān)于 PCB 中信號傳播延遲的文章。

差分對信號要求正負(fù)信號走線之間的延遲偏差非常小。因此，任何長度差異都應(yīng)通過使用蛇紋石來補(bǔ)償。蛇形走線的幾何形狀應(yīng)仔細(xì)設(shè)計，如圖 (14) 所示，以減少阻抗不連續(xù)性。

圖 14：使用此推薦的蛇形走線幾何形狀。

設(shè)計人員應(yīng)將蛇形走線放置在長度不匹配的根部。這確保了正負(fù)信號分量在連接上同步傳播，如圖 (15) 所示。

圖 15：為源頭的失配點(diǎn)添加長度校正。

彎曲通常是長度不匹配的根源。補(bǔ)償應(yīng)安裝在非?？拷鼜澢帲畲缶嚯x為 15mm，如下圖 (16) 所示。

圖 16：在靠近彎曲處放置長度補(bǔ)償。

通常，兩個彎曲相互補(bǔ)償。如果彎曲小于 15 毫米，則不需要額外的蛇形補(bǔ)償。信號不應(yīng)異步穿越超過 15 毫米的距離。

圖 17：彎曲可以相互補(bǔ)償

差分對連接的每一段中的失配應(yīng)單獨(dú)匹配。在下圖 (18) 中，過孔將差分對分成兩段。此處需要單獨(dú)補(bǔ)償彎曲。這確保了正負(fù)信號通過過孔同步傳播。DRC 會忽略此違規(guī)，因為它只檢查整個連接的長度差異。

圖 18：應(yīng)在每個段中補(bǔ)償長度差異。

PCB 的所有層中的信號速度并不相同。由于很難找出差異，因此如果需要匹配信號，最好在同一層上路由信號。

圖 19：同一接口內(nèi)的線對最好在同一層布線。

一些 CAD 工具還將焊盤內(nèi)的走線長度考慮為其總長度。下圖描述了從電氣角度來看相似的兩種布局。

在左邊的圖 (20) 中，電容焊盤內(nèi)部的走線長度不同。即使信號不使用內(nèi)部走線，一些 CAD 工具也將其視為長度計算的一部分，并顯示正負(fù)信號之間的長度差異。為了盡量減少這種情況，請確保兩個信號的焊盤入口相等。

同理，有些CAD工具在計算總長的時候也沒有考慮過孔的長度。由于差分對在兩條走線上應(yīng)具有相同數(shù)量的過孔，因此誤差不會影響長度匹配。但是，它會影響匹配兩個差分對或并行總線匹配的計算。

圖 20：注意一些 CAD 工具中遇到的長度計算問題。

差分對信號的非對稱突破是首選，如圖 (21) 所示，盡可能避免蛇形走線。

圖 21：差分對的對稱突破

如果焊盤之間有足夠的空間，則可以為較短的走線添加小環(huán)路而不是蛇形走線。這通常優(yōu)于蛇形跡線。

圖 22：差分對的首選突破。

8. 不要在分裂平面上走線信號

錯誤的信號返回路徑會導(dǎo)致噪聲耦合和 EMI 問題。設(shè)計人員在路由信號時應(yīng)始終考慮信號返回路徑。電源軌和低速信號采用最短的返回電流路徑，如圖 (23) 所示。與此相反，高速信號的返回電流試圖遵循信號路徑。

圖 23：在高速 PCB 中，返回電流嘗試遵循信號路徑。

信號不應(yīng)通過分割平面布線，因為返回路徑無法遵循信號軌跡。參見圖 (24)。如果平面在接收器和源之間分開，則在其周圍布設(shè)信號走線。如果信號的前向路徑和返回路徑分開，則它們之間的區(qū)域充當(dāng)環(huán)形天線。

如果需要在兩個不同的參考平面上路由信號，則應(yīng)包含拼接電容器。拼接電容器使返回電流能夠從一個參考平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪粋€參考平面。電容器應(yīng)靠近信號路徑放置，以便前向路徑和返回路徑之間的距離保持較小。一般拼接電容的值在10nF到100nF之間。

圖 24：拼接電容器在分離平面上的放置。

一般來說，必須避免平面障礙物和平面槽。如果確實(shí)需要在此類障礙物上布線，則應(yīng)使用拼接電容器，如圖 (25) 所示。

圖 25：在平面障礙物上布線時合并的拼接電容器。

設(shè)計人員在路由高速信號時應(yīng)注意參考平面中的空隙（無銅區(qū)域）。如圖 (25) 所示，將通孔靠在一起放置時會在參考平面中產(chǎn)生空隙。應(yīng)通過確保通孔之間的足夠間隔來避免大的空隙區(qū)域。最好放置較少的接地和電源過孔以減少過孔空隙。

圖 26：避免通孔平面空隙。

應(yīng)在信號的源和匯處考慮返回路徑。在下圖 (27) 中，左邊的設(shè)計被認(rèn)為是一個糟糕的設(shè)計。由于源側(cè)只有一個接地過孔，因此返回電流無法按預(yù)期通過參考接地平面返回。返回路徑是存在于頂層的接地連接。首要的問題是信號走線的阻抗是以接地層為參考計算的，而不是參考頂層的接地走線。因此，必須在信號的源端和接收端放置接地過孔。這允許返回電流返回接地平面，如右圖 (27) 所示。

圖 27：放置接地過孔時應(yīng)考慮返回路徑。

當(dāng)電源平面被視為信號的參考時，信號應(yīng)該能夠通過電源平面?zhèn)鞑セ?。信號在源極和漏極中以地為參考。要將參考切換到電源平面，應(yīng)在接收器和源極處加入拼接電容器。

如果接收器和源使用相同的電源軌作為電源，那么如果旁路電容器放置在靠近信號開始/出口點(diǎn)的位置，則它們可以用作拼接電容器，如圖 (28) 所示。拼接電容的理想值介于 10nF 和 100nF 之間。

圖 28：使用電源層作為參考時使用拼接電容器

當(dāng)差分信號切換一層時，參考地平面也將切換。因此，應(yīng)在靠近層更改過孔的位置添加拼接過孔，如右側(cè)圖 (29) 所示。這允許返回電流改變接地層。在處理差分信號時，開關(guān)接地過孔應(yīng)對稱放置。

圖 29：當(dāng)信號改變接地參考時應(yīng)使用拼接電容器

當(dāng)信號切換到具有不同參考平面的不同層時，應(yīng)實(shí)施拼接電容器。這允許返回電流通過拼接電容器從接地流到電源層，如右圖 30 所示。此外，在考慮差分對時，拼接電容器的布局和布線應(yīng)該是對稱的。

圖 30：當(dāng)信號參考平面改變時加入拼接電容器。

設(shè)計人員不應(yīng)在參考平面的邊緣或靠近 PCB 邊界的地方布線高速信號。這會對走線阻抗產(chǎn)生不利影響。

圖 31：不應(yīng)在平面和 PCB 邊緣路由高速信號。

9. 分離模擬和數(shù)字接地層以降低噪聲

定義單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地部分的方法可以很容易地在原理圖中確定哪些組件和引腳應(yīng)連接到數(shù)字接地以及哪些組件和引腳應(yīng)連接到模擬接地部分。這些類型的設(shè)計可以通過放置兩個不同的接地平面作為參考進(jìn)行布線。兩個平面應(yīng)準(zhǔn)確放置。數(shù)字和模擬組件應(yīng)放置在相應(yīng)部分的下方，如圖（32，右）所示。

圖 32：電源平面拆分需謹(jǐn)慎

混合信號電路需要在單點(diǎn)連接模擬地和數(shù)字地。在原理圖中，始終建議在模擬和數(shù)字部分之間放置鐵氧體磁珠或零歐姆電阻。數(shù)字和模擬地的合并應(yīng)靠近集成電路放置。在具有分離平面的混合信號設(shè)計中，數(shù)字信號不應(yīng)通過模擬接地層布線，模擬信號不應(yīng)通過數(shù)字接地層布線。

圖 33：數(shù)字信號不應(yīng)穿過模擬地平面

10. 在模擬和數(shù)字接地之間虛擬地拆分布局。

在虛擬分離方法中，模擬地和數(shù)字地在原理圖中沒有分開。此外，兩個接地域在布局中也沒有電氣隔離。有趣的是，布局實(shí)際上是分開的，即在模擬地和數(shù)字地之間繪制了一個假想的分離。應(yīng)仔細(xì)考慮虛擬分割平面的正確一側(cè)來放置組件。

圖 34：使用虛擬平面拆分小心放置組件

在高速 PCB 布線過程中，設(shè)計人員應(yīng)牢記兩個接地域之間的虛擬線。數(shù)字和模擬信號走線都不允許穿過虛擬分割線。虛擬分割線不應(yīng)具有復(fù)雜的形狀，因為沒有平面障礙物來保持模擬和數(shù)字返回電流的分離。

11. 如果元件的寬度接近走線寬度，則可以獲得最佳的高速性能。

讓我們了解我們最后的高速 PCB 布線技巧。電路板設(shè)計從原理圖開始，特別是從元件的選擇開始。表面貼裝器件 (SMD) 是首選，因為更小的組件和更短的導(dǎo)線會導(dǎo)致更穩(wěn)定的高速性能。

選擇封裝有時會變得棘手。一個有益的標(biāo)準(zhǔn)是查看為 50 歐姆阻抗計算的軌道寬度。如果組件的寬度接近軌道寬度，通?？梢垣@得最佳的高速性能。這將降低走線和元件焊盤之間的阻抗匹配問題。

圖 35：不同組件的走線寬度

通過選擇封裝尺寸與計算出的走線寬度幾乎相同的組件，可以減少阻抗失配。應(yīng)在原理圖階段規(guī)劃測試點(diǎn)。

所有上述高速 PCB 布線實(shí)踐都可以幫助設(shè)計人員制作出不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效設(shè)計而且便于制造的電路板。