蛇形線的作用

經常能看到論壇里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。網上關于蛇形線的文章也有很多，總感覺有些帖子的內容會誤導新手，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用當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并不一致，比如我們常用的FR4基板介電常數是4.2左右，空氣的介電常數是1。而帶狀線上下兩面都有參考平面，整個走線是嵌入在PCB基材當中的，走線四周的介電常數是一致的。這也就造成了帶狀線上傳輸的是TEM波，而微帶線傳輸的是準TEM波。為什么是準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到另一端。既然是波，那就要有速度。信號在PCB走線上的速度是多少呢?根據介電常數的區(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。在其他介質中的傳播速度就要通過下面的公式來計算：

V=C/Er^0.5

其中，V是在介質中的傳播速度，C是光速，Er是介質的介電常數。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，介電常數會略有降低，這樣傳輸速度會比帶狀線略快一些。常用的經驗數據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到另一個管腳。雖然信號傳輸的速度很快，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)，那么傳輸的延遲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，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。比如我們常見的內存顆粒，是以總線形式連接的，有數據線，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，都會包含數據通道和時鐘通道?；蛘呤且恍┛偩€協(xié)議，都是數據和時鐘同步傳輸。那么，在實際的高速系統(tǒng)當中，這些時鐘信號和數據信號都是同步的從主芯片中發(fā)送出來的，如果我們的PCB走線設計很差，時鐘信號和數據信號的長度相差很大，那么很容易就能造成數據的錯誤采樣，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據的錯采了。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構，在布線時要注意到，比如盡量讓蛇形線相互平行的部分遠一點，短一點，也就是俗話說的繞大彎，不要在小范圍內繞的太密太小。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責任的表現(xiàn)。很多不需要繞線的地方繞線了，浪費了板子的面積不說，也降低了信號質量。我們應該根據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，看到網絡上的文章中經常提到蛇形線的其他幾個作用，這里也簡單說一下。

1、 經常看到的一個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，和介電常數有關，和參考平面的距離有關，什么時候和蛇形線有關了?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，但是在數字電路里面應該沒有濾波的作用或者說在數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。在有些手機或者收音機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中，蛇形線有些特殊作用，這是微帶線特性決定的。而在數字電路設計當中，蛇形線就是用來做等長實現(xiàn)時序匹配的作用。并且，蛇形線會對信號質量產生影響，所以在系統(tǒng)中應該明確系統(tǒng)需求，根據實際要求計算系統(tǒng)冗余，謹慎使用蛇形線。

關鍵詞： 蛇形線 PCB 帶狀線 TEM