謹(jǐn)小慎微：淺談蛇形線的作用_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb學(xué)

經(jīng)常能看到有人在問蛇形線的問題。平時我們能看到蛇形線的地方大都是一些高速高密度板，好像帶有蛇形線的板子就更高級，會畫蛇形線就是高手了。網(wǎng)上關(guān)于蛇形線的文章也有很多，總感覺有些帖子的內(nèi)容會誤導(dǎo)新手，給人們帶來困擾，人為制造一些障礙。那么我們來看看實際應(yīng)用當(dāng)中蛇形線到底有什么作用。

　　要弄懂蛇形線，我們先來說說PCB走線。這個概念似乎不用介紹，做硬件的工程師每天在做的不就是布線工作么。PCB上的每條走線都是硬件工程師辛苦的一條一條畫出來的，這有什么可說的呢?其實就是這簡單的走線也包含了很多我們平時會忽略的知識點。比如說，微帶線和帶狀線的概念。簡單地說微帶線是走在PCB板表層的走線，帶狀線是走在PCB內(nèi)層的走線。這兩種線有什么區(qū)別呢?微帶線的參考平面是PCB內(nèi)層的地平面，走線的另一面是暴露在空氣中的，這樣就造成了走線四周的介電常數(shù)并不一致，比如我們常用的FR4基板介電常數(shù)是4.2左右，空氣的介電常數(shù)是1。而帶狀線上下兩面都有參考平面，整個走線是嵌入在PCB基材當(dāng)中的，走線四周的介電常數(shù)是一致的。這也就造成了帶狀線上傳輸?shù)氖荰EM波，而微帶線傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM波。為什么是準(zhǔn)TEM波?那是由于在空氣和PCB基材交界處的相位不匹配造成的。什么事TEM波?…………如果就這個問題深挖下去的話，講上十天半個月也講不完。長話短說，無論是微帶線還是帶狀線，他們的作用無非就是用來承載信號，無論數(shù)字信號或者模擬信號。這些信號在走線里以電磁波的形式從一端傳輸?shù)搅硪欢恕＜热皇遣?，那就要有速度。信號在PCB走線上的速度是多少呢?根據(jù)介電常數(shù)的區(qū)別，速度也不一樣。電磁波在空氣中的傳播速度是大家都熟知的光速。在其他介質(zhì)中的傳播速度就要通過下面的公式來計算：

　　V=C/Er0.5

　　其中，V是在介質(zhì)中的傳播速度，C是光速，Er是介質(zhì)的介電常數(shù)。通過這個公式我們就能輕松的計算出信號在PCB走線上的傳輸速度。比如我們把FR4基材的介電常數(shù)簡單以4來帶入公式計算，也就是信號在FR4基材中的傳輸速度是光速的一半。但是表層走線的微帶線，由于一半在空氣中，一半在基材中，介電常數(shù)會略有降低，這樣傳輸速度會比帶狀線略快一些。常用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)就是微帶線的走線延時大約為140ps/inch,帶狀線的走線延時大約為166ps/inch。

　　前面說了這么多只有一個目的，那就是信號在PCB上的傳輸是有延時的!也就是說信號并不是在一個管腳發(fā)送出去以后，瞬間就通過走線傳輸?shù)搅硪粋€管腳。雖然信號傳輸?shù)乃俣群芸?，但是只要走線長度足夠長，還是會對信號傳輸帶來影響。比如說一個1GHz的信號，周期是1ns，上升沿或者下降沿的時間大約為周期的十分之一，那么就是100ps。如果我們的走線長度超過1inch(大約2.54厘米)，那么傳輸?shù)难舆t就差出了一個上升沿還要多的時間，如果走線超過8inch(大約20厘米)，那么延遲就能整整差出一個周期!原來PCB的影響這么大，我們板子上超過1inch的走線是很常見的。那么延遲會對板子正常工作有影響么?看看實際系統(tǒng)，如果只是一個信號，和其他信號不想關(guān)，那么延遲似乎不會有什么影響。但是，在高速系統(tǒng)里，這個延遲是會實實在在的發(fā)生作用的。比如我們常見的內(nèi)存顆粒，是以總線形式連接的，有數(shù)據(jù)線，有地址線，有時鐘，有控制線。再看看我們的視頻接口，HDMI或者DVI無論幾個通道，都會包含數(shù)據(jù)通道和時鐘通道?；蛘呤且恍┛偩€協(xié)議，都是數(shù)據(jù)和時鐘同步傳輸。那么，在實際的高速系統(tǒng)當(dāng)中，這些時鐘信號和數(shù)據(jù)信號都是同步的從主芯片中發(fā)送出來的，如果我們的PCB走線設(shè)計很差，時鐘信號和數(shù)據(jù)信號的長度相差很大，那么很容易就能造成數(shù)據(jù)的錯誤采樣，那么整個系統(tǒng)也就不會正常工作了。要解決這個問題怎么辦呢?很自然的我們就會想到，把長度短的走線加長，讓同組的走線長度差不多，那不就延遲一樣了?那怎么把走線加長呢?繞唄!Bingo! 終于繞回主題了，真不容易。這就是蛇形線在高速系統(tǒng)中的主要作用。繞線，等長。就是這么簡單。蛇形線就是用來繞等長的，通過畫蛇形線，我們能讓同組信號實現(xiàn)等長，這樣在接收芯片接收到信號后就不會由于PCB走線上的不同延時造成數(shù)據(jù)的錯采了。蛇形線和其他PCB板上的走線一樣，都是用來連接信號的，只是走的長一些而已，無它。所以蛇形線并不高深，也沒多復(fù)雜。既然和其他走線一樣，那么一些常用的布線規(guī)則對蛇形線也是適用的，同時由于蛇形線的特殊結(jié)構(gòu)，在布線時要注意到，比如盡量讓蛇形線相互平行的部分遠(yuǎn)一點，短一點，也就是俗話說的繞大彎，不要在小范圍內(nèi)繞的太密太小。這都有助于減小信號干擾。蛇形線由于人工的增加了線長，對信號必然是有壞的影響的，所以在系統(tǒng)中只要能滿足時序要求，能不用就不要用。有些工程師凡是用到DDR或者用到高速信號就會去做全組等長，蛇形線滿板飛，似乎這樣就是更好的布線，實際上這是偷懶不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)。很多不需要繞線的地方繞線了，浪費了板子的面積不說，也降低了信號質(zhì)量。我們應(yīng)該根據(jù)實際的信號速度要求計算延遲的冗余度，從而確定好板子的布線規(guī)則。

　　除了等長的作用以外，看到網(wǎng)絡(luò)上的文章中經(jīng)常提到蛇形線的其他幾個作用，這里也簡單說一下。

　　1、 經(jīng)?？吹降囊粋€說法是阻抗匹配的作用。這個說法很奇怪，PCB走線的阻抗和線寬有關(guān)，和介電常數(shù)有關(guān)，和參考平面的距離有關(guān)，什么時候和蛇形線有關(guān)了?走線的形狀什么時候影響到阻抗了?不知道這個說法的源頭是從哪來的。

　　2、 還有說是濾波的作用。這個作用不能說沒有，但是在數(shù)字電路里面應(yīng)該沒有濾波的作用或者說在數(shù)字電路里面我們是不需要用到這個功能的。在射頻電路里，蛇形的走線能形成一個LC電路，如果說對一定頻率的信號有濾波作用那還是說的過去的。

　　3、 接收天線。這個可以有。在有些手機(jī)或者收音機(jī)上我們都能看到這個作用。有些天線就是用PCB走線來做的。

　　4、 電感。這個可以有。本來PCB上的所有走線都有寄生電感。要做一些PCB電感是可以實現(xiàn)的。

　　5、 保險絲。這個作用讓我百思不得其解。短而窄的蛇形線怎么起到保險絲的作用呢?電流一大就燒斷?那板子不是廢了，這個保險絲的代價太大了吧，實在想不明白會在什么樣的應(yīng)用中用到。

　　通過上面的介紹我們可以明確，在模擬或者射頻電路當(dāng)中，蛇形線有些特殊作用，這是微帶線特性決定的。而在數(shù)字電路設(shè)計當(dāng)中，蛇形線就是用來做等長實現(xiàn)時序匹配的作用。并且，蛇形線會對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以在系統(tǒng)中應(yīng)該明確系統(tǒng)需求，根據(jù)實際要求計算系統(tǒng)冗余，謹(jǐn)慎使用蛇形線。