PCB蛇形走线与信号的延迟

并行总线的PCB布线过程中,为了满足时序要求,信号线之间通常会有等长要求。一般通过绕线的方式调整走线长度,这就是通常所说的蛇形走线,如图所示。蛇形走线的最终目的是为了调整信号的延时,让有时序约束的一组信号同时到达接收端。



对于蛇形线,尽管布线过程中通常只是监控走线的长度,但是要时刻牢记,信号延时才是最终的调控目标。走线的长度相同,信号的延时不一定相同。任何影响信号延时的因素都要加以仔细考虑。蛇形线能够在多大程度上达到延时的效果,主要和绕线方式密切相关。PCB布线软件会给出多种绕线方式,比如 Allegro软件中给出的绕线选项。如果需要等长布线的时候应该选用哪种绕线方式?绕线过程中应该注意哪些问题?



我们知道,串扰会影响信号的延迟。对于蛇形走线,由于其特殊的走线方式,也会在绕线区域产生类似的问题。图1显示了这种问题的机理。

在信号进入绕线区域的A点瞬间,由于两条垂直的线段之间存在耦合,B点开始出现串扰噪声,这是一种近端串扰,串扰噪声的跳变方向和信号的跳变方向相同。随着信号在左侧垂直线段向上传播,B点持续产生串扰噪声,当信号沿着绕线路径到达B点时,信号和这个串扰噪声叠加,由于跳变方向相同,噪声的叠加使得信号的上升沿各点电位被不同程度地抬高,从时间轴上看,信号似乎提前到达B点。

图2展示了串扰噪声的产生,以及串优噪声是如何叠加在信号上从而改变信号上升沿的。作为参考,虚线显示了不绕线情况下信号的边沿情况。

蛇形线内部的串扰由信号产生,反过来又叠加到信号本身,可以看作是特殊走线方式下信号对其自身的干扰。蛇形线内部的串扰总是表现为近端串扰,串扰噪声的跳变方向和信号相同,因此这种串扰总是加速信号的传播,使信号提前到达接收端。如果绕线处理不好,就会较多地偏离预期延迟值,达不到预期效果。

既然造成信号加速的原因是绕线区域的串扰,那么只要能最大限度地减小这种串扰,就不会对信号的延迟甚至造成太大的影响。在绕线过程中有两个参数是很容易控制的,即间距(gap)和长度(H),如图3所示。根据串扰的特性,间距越大,串扰越小。耦合长度越小,串扰越小。





下图4显示了保持H不变,gap分别为1W、2W、3W以及直线情况下信号边沿的情况,gap值越大,信号的延迟越接近于直线情况。图5显示了保持gap=3W不变,H分别为200 mil 和 50 mil情况下信号边沿与直走线的对比,H越小,信号延迟越接近于直线情况。

在蛇形绕线中,如果空间允许则尽量使用大的gap值并减小H值,即蛇形线的那些突起要尽量宽且矮,这样才能较好地达到预期的延时效果。

如果空间允许,还可以使用图6所示的这种绕线方式,可以进一步减小串扰的影响,由于蛇形线的突起部分没有平行线,耦合作用被进一步减弱,串扰进一步减小。总之蛇形绕线关键在于减小绕线部分的串扰,抓住这一原则就可以灵活处理。

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