現(xiàn)在但凡打開(kāi) SoC 原廠的 PCB Layout Guide，都會(huì)提及到高速信號(hào)的走線(xiàn)的拐角角度問(wèn)題，都會(huì)說(shuō)高速信號(hào)不要以直角走線(xiàn)，要以 45 度角走線(xiàn)，并且會(huì)說(shuō)走圓弧會(huì)比 45 度拐角更好。

事實(shí)是不是這樣？PCB 走線(xiàn)角度該怎樣設(shè)置，是走 45 度好還是走圓弧好？90 度直角走線(xiàn)到底行不行？這是老 wu 經(jīng)?？匆?jiàn)廣大 PCB Layout 拉線(xiàn)菌熱議的話(huà)題。

大家開(kāi)始糾結(jié)于 pcb 走線(xiàn)的拐角角度，也就是近十幾二十年的事情。上世紀(jì)九十年代初，PC 界的霸主 Intel 主導(dǎo)定制了 PCI 總線(xiàn)技術(shù)。

（當(dāng)時(shí)的老 wu 很感謝 Intel 發(fā)布了 PCI 接口，正是有了 PCI 總線(xiàn)接口的帶寬提升，包括后來(lái)的 AGP 總線(xiàn)接口，才誕生了像 3DFX VOODOO 巫毒這樣的顯卡，老 wu 在當(dāng)時(shí)也第一次體驗(yàn)到了古墓麗影 勞拉 的風(fēng)采，還有暴爽的極品飛車(chē) 2、經(jīng)典的雷神之錘等等，回想起來(lái)，正是有了 3D 游戲等多媒體應(yīng)用的市場(chǎng)需求，才促進(jìn)了 PC 的技術(shù)的發(fā)展，包括后來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)的普及。）

似乎從 PCI 接口開(kāi)始，我們開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)“高速”系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)代。

20 世紀(jì) 90 年代以后，正是有了一幫類(lèi)似老 wu 這樣的玩家對(duì) 3D 性能的渴望，使得相應(yīng)的電子設(shè)計(jì)和芯片制造技術(shù)能夠按照摩爾定律往前發(fā)展，由于 IC 制程的工藝不斷提高，IC 的晶體管開(kāi)關(guān)速度也越來(lái)越快，各種總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率也越來(lái)越快，信號(hào)完整性問(wèn)題也在不斷的引起大家的研究和重視。比如現(xiàn)在人們對(duì) 4K 高清家庭影音視頻的需求，HDMI2.0 傳輸標(biāo)準(zhǔn)速率已經(jīng)達(dá)到了 18Gbps ?。。?/p>

在我誕生之前，pcb 拉線(xiàn)菌應(yīng)該還是比較單純的同學(xué)，把線(xiàn)路拉通，擼順，整潔美觀即可，不用去關(guān)注各種信號(hào)完整性問(wèn)題。

HP3456A 沒(méi)有淚滴，幾乎是故意走的直角（某些地方本來(lái)一個(gè)斜角走完，它偏要連續(xù)走幾個(gè)直角），絕大多數(shù)地方?jīng)]有鋪銅。

右上角，拐直角不止，線(xiàn)寬還變小了？

直角、搭橋、鋪銅，模擬就真的不能鋪銅嗎？

直角，45 度斜線(xiàn)，任意角度斜線(xiàn)，方焊盤(pán)，圓焊盤(pán)，唯獨(dú)不見(jiàn)淚滴。

高速信號(hào)線(xiàn)拐一下 90°真的會(huì)懷孕？獅屎是不是這樣的？老 wu 這里以自己膚淺的擼線(xiàn)姿勢(shì)，跟大家探討一下關(guān)于高頻 / 高速信號(hào)的走線(xiàn)拐角角度問(wèn)題。我們從銳角到直角、鈍角、圓弧一直到任意角度走線(xiàn)，看看各種走線(xiàn)拐角角度的優(yōu)缺點(diǎn)。

PCB 能不能以銳角走線(xiàn)

PCB 能不能以銳角走線(xiàn)，答案是否定的，先不管以銳角走線(xiàn)會(huì)不會(huì)對(duì)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)造成負(fù)面影響，單從 PCB DFM 方面，就應(yīng)該避免出現(xiàn)銳角走線(xiàn)的情形。因?yàn)樵?PCB 導(dǎo)線(xiàn)相交形成銳角處，會(huì)造成一種叫酸角“acid traps”的問(wèn)題，啥？酸豆角？好吧，老 wu 挺喜歡酸豆角拌面，但是這里的 pcb 上的酸角卻是個(gè)令人討厭的東西。在 pcb 制板過(guò)程中，在 pcb 線(xiàn)路蝕刻環(huán)節(jié)，在“acid traps”處會(huì)造成 pcb 線(xiàn)路腐蝕過(guò)度，帶來(lái) pcb 線(xiàn)路虛斷的問(wèn)題。雖然，我們可以借助 CAM 350 進(jìn)行 DFF Audit 自動(dòng)檢測(cè)出“acid traps”潛在問(wèn)題，避免在 PCB 在制造產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生加工瓶頸，如果 PCB 板廠工藝人員檢測(cè)到有酸角(acid trap)存在，他們將簡(jiǎn)單地貼一塊銅到這個(gè)縫隙中。

好吧，老 wu 覺(jué)得，很多板廠的工程人員他們其實(shí)并不懂 layout 的，他們只是從 PCB 工程加工的角度進(jìn)行了修復(fù)酸角(acid trap)的問(wèn)題，但這種修復(fù)會(huì)不會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的信號(hào)完整性問(wèn)題便不得而知了，所以我們?cè)?layout 是就應(yīng)該從源頭去盡量避免產(chǎn)生酸角(acid trap)。

怎樣避免拉線(xiàn)時(shí)出現(xiàn)銳角，造成 acid trap DFM 問(wèn)題？現(xiàn)代的 EDA 設(shè)計(jì)軟件(如 Cadence Allegro、Altium Designer 等)都帶有了完善的 Layout 走線(xiàn)選項(xiàng)，我們?cè)?layout 走線(xiàn)是，靈活運(yùn)用這些輔助選項(xiàng)，可以極大的避免我們?cè)?layout 時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)生“acid trap”現(xiàn)象。

焊盤(pán)的出線(xiàn)角度設(shè)置，避免導(dǎo)線(xiàn)與焊盤(pán)形成銳角角度的夾角。

利用 Cadence Allegro 的 Enhanced Pad Entry 功能能夠讓我們?cè)?layout 時(shí)盡可能的避免導(dǎo)線(xiàn)與焊盤(pán)在出線(xiàn)時(shí)形成夾角，避免造成“acid traps”DFM 問(wèn)題。

避免兩條導(dǎo)線(xiàn)交叉形成銳角夾角。

靈活應(yīng)用 Cadence Allegro 布線(xiàn)時(shí)切換 ” toggle “ 選項(xiàng)，可以避免導(dǎo)線(xiàn)拉出 T 型分支時(shí)形成銳角夾角，避免造成“acid traps”DFM 問(wèn)題。

pcb layout 能不能以 90°走線(xiàn)

高頻高速信號(hào)傳輸線(xiàn)應(yīng)避免以 90°的拐角走線(xiàn)，是各種 PCB Design Guide 中極力要求的，因?yàn)楦哳l高速信號(hào)傳輸線(xiàn)需要保持特性阻抗一致，而采用 90°拐角走線(xiàn)，在傳輸線(xiàn)拐角處，會(huì)改變線(xiàn)寬，90°拐角處線(xiàn)寬約為正常線(xiàn)寬的 1.414 倍，由于線(xiàn)寬改變了，就會(huì)造成信號(hào)的反射，同時(shí)，拐角處的額外寄生電容也會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成時(shí)延影響。

當(dāng)然，當(dāng)信號(hào)沿著均勻互連線(xiàn)傳播時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生反射和傳輸信號(hào)的失真，如果均勻互連線(xiàn)上有一個(gè) 90°拐角，則會(huì)在拐角處造成 pcb 傳輸線(xiàn)寬的變化，根據(jù)相關(guān)電磁理論計(jì)算得出，這肯定會(huì)帶來(lái)信號(hào)的反射影響。

理論上是這樣，老 wu 催牛逼時(shí)也會(huì)列舉各種理論，但理論終究是理論，實(shí)際情況 90°拐角對(duì)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)造成的影響是否是舉足輕重的呢？

打個(gè)比方，比如王失聰同學(xué)（這里的王同學(xué)純屬老 wu 為了劇情需要虛構(gòu)出來(lái)的，肯定沒(méi)有哪位親生父親會(huì)為自己的兒子取這樣的名字吧，如有雷同，純屬榮幸，O(∩_∩)O~）帶著他們家的二哈和女****去打火鍋，看到路邊掉了一百塊錢(qián)，你說(shuō)他撿還是不撿？

撿起這一百塊，理論上會(huì)使得王失聰?shù)膫€(gè)人財(cái)富又增長(zhǎng)了一百塊，但是對(duì)于隨便找個(gè)女****啪啪啪刷卡買(mǎi)豪車(chē)如買(mǎi)白菜的王同學(xué)來(lái)說(shuō)，可以完全無(wú)視，而對(duì)于老 wu 來(lái)說(shuō)，這可是巨款吶，我一般都會(huì)沖過(guò)去假裝系鞋帶的…

所以，90°拐角對(duì)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)會(huì)有負(fù)面影響，理論上是一定的，但是這種影響是不是致命的？90°拐角對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)和高頻微波信號(hào)傳輸線(xiàn)的影響是不是一樣的？

根據(jù)這篇論文《right angle corners on printed circuit board traces,time and frequency domain analysis》和 Howard Johnson 的這篇文章《Who’s Afraid of the Big Bad Bend?》及 Eric Bogatin 的著作 《信號(hào)完整性與電源完整性分析(第二版) 》第八章的內(nèi)容，我們可以得出以下結(jié)論：

對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，90°拐角對(duì)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)會(huì)造成一定的影響，對(duì)于我們現(xiàn)在高密高速 pcb 來(lái)說(shuō)，一般走線(xiàn)寬度為 4-5mil，一個(gè) 90°拐角的電容量大約為 10fF，經(jīng)測(cè)算，此電容引起的時(shí)延累加大約為 0.25ps，所以，5mil 線(xiàn)寬的導(dǎo)線(xiàn)上的 90°拐角并不會(huì)對(duì)現(xiàn)在的高速數(shù)字信號(hào)（100-psec 上升沿時(shí)間）造成很大影響。

而對(duì)于高頻信號(hào)傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，為了避免集膚效應(yīng)（Skin effect）造成的信號(hào)損壞，通常會(huì)采用寬一點(diǎn)的信號(hào)傳輸線(xiàn)，例如 50Ω阻抗，100mil 線(xiàn)寬，這 90°拐角處的線(xiàn)寬約為 141mil，寄生電容造成的信號(hào)延時(shí)大約為 25ps，此時(shí)，90°拐角將會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響。

同時(shí)，微波傳輸線(xiàn)總是希望能盡量降低信號(hào)的損耗，90°拐角處的阻抗不連續(xù)和而外的寄生電容會(huì)引起高頻信號(hào)的相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進(jìn)而導(dǎo)致電路性能的惡化,影響 PCB 電路信號(hào)的傳輸特性。

關(guān)于 90°信號(hào)走線(xiàn)，老 wu 自己的觀點(diǎn)是，盡量避免以 90°走線(xiàn)，納尼？前面不是說(shuō) 90°拐角對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的影響可以忽略嗎？

當(dāng)然，前面寫(xiě)的那些是為了湊字?jǐn)?shù)的，單個(gè) 90°拐角對(duì)高速數(shù)字傳輸線(xiàn)所帶來(lái)的信號(hào)質(zhì)量影響，相對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)與參考平面高度的偏差，導(dǎo)線(xiàn)自身蝕刻過(guò)程中線(xiàn)寬線(xiàn)距均勻性的變化偏差，板材介電常數(shù)對(duì)頻率信號(hào)的變化，甚至過(guò)孔寄生參數(shù)所帶來(lái)的影響都要比 90°拐角所帶來(lái)的問(wèn)題大得多。

但是如今的高速數(shù)字電路傳輸線(xiàn)總避免不了要繞等長(zhǎng)的，十幾二十個(gè)拐角疊加起來(lái)，這 90°拐角所累計(jì)疊加起來(lái)的影響造成的信號(hào)上升延時(shí)將變得不可忽略。高速信號(hào)總是沿著阻抗最小的路徑傳輸，以 90°拐角繞等長(zhǎng)，最終的實(shí)際信號(hào)傳輸路徑會(huì)比原來(lái)的要略短一些。

而且現(xiàn)在的高速數(shù)字信號(hào)傳輸速率正在變得越來(lái)越高，目前的 HDMI2.0 標(biāo)準(zhǔn)，傳輸帶寬速率已經(jīng)達(dá)到了 18Gbps，90°拐角走線(xiàn)將不再符合要求，而且現(xiàn)在都 21 世紀(jì)了，現(xiàn)在的 EDA 軟件即便是那些免費(fèi)使用的，對(duì) 45°走線(xiàn)都已經(jīng)支持的很好了。

同時(shí)，以 90°拐角走線(xiàn)，以工程美學(xué)來(lái)說(shuō)，也不太符合人們的審美觀。所以，對(duì)于現(xiàn)在的 layout 來(lái)說(shuō)，不論你是不是走的高頻 / 高速信號(hào)線(xiàn)，我們都要盡量避免以 90°拐角進(jìn)行走線(xiàn)，除非有特殊的要求。

對(duì)于大電流走線(xiàn)，有時(shí)我們會(huì)以鋪銅銅皮替換走線(xiàn)的方式布線(xiàn)，在鋪銅的拐角處，也需要以?xún)蓚€(gè) 45°拐角替換 90°拐角，這樣不僅美觀，而且不會(huì)存在 EMI 隱患。

以 45°走線(xiàn)

除了射頻信號(hào)和其他有特殊要求的信號(hào)，我們 PCB 上的走線(xiàn)應(yīng)該優(yōu)選以 45°走線(xiàn)。要注意一點(diǎn)的是，45°角走線(xiàn)繞等長(zhǎng)時(shí)，拐角處的走線(xiàn)長(zhǎng)度要至少為 1.5 倍線(xiàn)寬，繞等長(zhǎng)的線(xiàn)與線(xiàn)之間的間距要至少 4 倍線(xiàn)寬的距離。

由于高速信號(hào)線(xiàn)總是沿著阻抗最低的路徑傳輸，如果繞等長(zhǎng)的線(xiàn)間距太近，由于線(xiàn)間的寄生電容，高速信號(hào)走了捷徑，就會(huì)出現(xiàn)等長(zhǎng)不準(zhǔn)的情況?，F(xiàn)代的 EDA 軟件的繞線(xiàn)規(guī)則都可以很方便的設(shè)置相關(guān)的繞線(xiàn)規(guī)則。

以 arc 弧形走線(xiàn)

如果不是技術(shù)規(guī)范明確要求要以弧形走線(xiàn)，或者是 rf 微波傳輸線(xiàn)，老 wu 個(gè)人覺(jué)得，沒(méi)有必要去走弧形線(xiàn)，因?yàn)楦咚俑呙芏?pcb 的 layout，大量的弧形線(xiàn)后期修線(xiàn)非常麻煩，而且大量的弧形走線(xiàn)也比較費(fèi)空間。對(duì)于類(lèi)似 USB3.1 或 HDMI2.0 這樣的高速差分信號(hào)，老 wu 認(rèn)為還是可以走下圓弧線(xiàn)裝下逼的。

當(dāng)然，對(duì)于 RF 微波信號(hào)傳輸線(xiàn)，還是優(yōu)先走圓弧線(xiàn)，甚至是要走“采用 45° 外斜切”線(xiàn)走線(xiàn)。

以任意角度走線(xiàn)

隨著 4G/5G 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)換代，目前 PCB 數(shù)據(jù)接口傳輸速率已高達(dá) 10Gbps 或 25Gbps 以上，且信號(hào)傳輸速率還在不斷的朝著高速化方向發(fā)展。隨著信號(hào)傳輸?shù)母咚倩?、高頻化發(fā)展，對(duì) PCB 阻抗控制和信號(hào)完整性提出了更高的要求。

對(duì)于 PCB 板上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，電子工業(yè)界應(yīng)用的包括 FR4 在內(nèi)的許多電介質(zhì)材料，在低速低頻傳輸時(shí)一直被認(rèn)為是均勻的。

但當(dāng)系統(tǒng)總線(xiàn)上電子信號(hào)速率達(dá)到 Gbps 級(jí)別時(shí)，這種均勻性假設(shè)不再成立，此時(shí)交織在環(huán)氧樹(shù)脂基材中的玻璃纖維束之間的間隙引起的介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)的局部變化將不可忽視，介電常數(shù)的局部擾動(dòng)將使線(xiàn)路的時(shí)延和特征阻抗與空間相關(guān)，從而影響高速信號(hào)的傳輸。

基于 FR4 測(cè)試基板的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由于微帶線(xiàn)與玻纖束相對(duì)位置差異，導(dǎo)致測(cè)量所得的傳輸線(xiàn)有效介電常數(shù)波動(dòng)較大，最大、最小值之差最大可以達(dá)到△εr=0.4。盡管這些空間擾動(dòng)看上去較小，它會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)速度為 5-10Gbps 的差分傳輸線(xiàn)。

在一些高速設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，為了應(yīng)對(duì)玻纖效應(yīng)對(duì)高速信號(hào)的影響，我們可以采用 zig-zag routing 布線(xiàn)技術(shù)以減緩玻纖效應(yīng)的影響。

Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 及后續(xù)版本帶來(lái)了對(duì) zig-zag 布線(xiàn)模式的支持。

在 Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 菜單中選擇”Route -> Unsupported Prototype -> Fiber Weave Effect” 打開(kāi) zig-zag routing 功能。

歲月是把殺豬刀

正如二十年前我們 pcb layout 不用關(guān)注是否要走弧形線(xiàn)，不用擔(dān)心 pcb 板材玻璃纖維對(duì)高速信號(hào)的影響一樣?？赡芏旰竽倏催@篇文字，會(huì)覺(jué)得老 wu 說(shuō)的觀點(diǎn)相當(dāng)?shù)?out…所以，不存在一成不變的 pcb layout 規(guī)則，隨著 pcb 制造工藝的提升和數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，有可能現(xiàn)在正確的規(guī)則在將來(lái)將變得不再適用。所以最為一枚合格的拉線(xiàn)菌，一定要與時(shí)俱進(jìn)，掌握產(chǎn)業(yè)技術(shù)方向的發(fā)展，才能不被大浪淘沙所淘汰。

審核編輯 黃昊宇