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多媒体市场的应用导致了了对上传和下载速度无止境的需求。这种需求推动数据通信的速度在各个阶层不断上升，包括那些会影响PCB设计的部分。新兴的超高速USB 3硬件具有令人眩目的4.8 Gbit/s的速度。

具有这些优点的类似超高速信号传输标准，诸如PCI Express，HyperTransport，USB 3和FireWire，在PCB设计层面的要求都有许多共同之处。

也许令人惊讶的，信号传输的标准化甚至可以简化PCB设计，这些关键的共同点是需要适当考虑的。更令人惊讶的是，往往不需要增加功耗来提高速度——事实上，它有时会被降低。

本文将侧重于使用内置分析工具的PCB设计，展示最新的高速总线是如何使用最低争议和最高的可靠性来进行设计的。

新的硬件通常必须是：

•尽可能快的；

•尽可能低功耗的；

•符合电磁兼容性（EMC）的规定；

•尽可能小。

这些要求似乎是冲突的，但让我们考虑一下如何将它们解决。

As Fast as Possible

尽可能快

差分信号是当今输送快速信号的规范。差分信号传输使用紧密耦合的平行PCB轨道，比单端品种更可靠。互补差分信号主要是由相互控制的，而不是其它独立的接地平面。以低电压差分信号（LVDS）为基础的技术是最常用的。

图1：单向点对点。由于点对点可以得到最高的带宽，正变得越来越普遍。

功率尽可能低

要维持抗干扰度，电压偏移就要尽可能小。差分信号抑制与+和-相等或相近的共模干扰。通过在一个带有差动终端的电流环路中传递信号，避免了多余的终端功率损耗。电压保持在较低水平，所以整体功耗也很低。

图2：电流回路发出信号。在一个LVDS差分信号中，一个小的电流通过远程差动终端来计算，当电流从差动差动+到-来计算时，发展一个逻辑高度，或当电流相反时，发展一个逻辑低电压。

兼容EMC规范

相比单端信号，具有紧密耦合PCB轨道的差分信号对于辐射干扰和电磁干扰（EMI）的低发射不易受影响，如图3和图4上的简单电磁线所示。

图3：差动对在外层PCB上选择路径。电场主要是被+和-两端的对和地面/电源平面所捕捉。

图4：差动对之间的地面/电源层路由。电场之间几乎是完全的+和 - 的两人和地面双方被俘/电源层上方和下方。

有利于EMC的磁场定位和结果只有在如果PCB布线保持+和-信号在整个布线长度中，得到补充时才可获得。单单是长度配合不能保证这一点的。

 

尽可能小

更高的带宽通常消耗更多PCB空间，这是和小型化相冲突的。在高速公路设计中，如果不能在两座城市中建立几个标准道路的话，那么解决方案就是建造一个超级高速公路。

图5：PCI快速通道。数据和脉冲相结合，通过对偶单纯形线传输。每个差动对不得不精确对称地布线，但控制不同对的偏移相对来说不是优先的。

图6：HyperTransport。高速信号也是点对点差动对布线的，就像有PCI Express，需要精确对称的布线。然而，在HyperTransport中，在CAD，CTL和CLK对中，对偏斜的限制更严格，因为始终脉冲和数据不是同步发送的。高达八位数的数据每个连接都有一个脉冲。

对布线

点对点差动对布线应该尽可能对称。每一边也必须几何对称布线，使得轨迹宽度、通孔类型和通孔位置想匹配。布线必须尽可能留在规定部位，只允许极小的变化。的确这是一个艰巨的任务，但是为了在高速公路上开车时不要碰到未填补的霜冻洞和Z-弯，就必须让我们的超高速数据通道不要有什么惊喜。

布线必须状态匹配，仅仅长度匹配是不够的。从服务器到任何点的布线长度，沿着平行布线部分，必须保持相等，只允许很小的误差。例如，如果长度发生差异，必须在它们出现的地方尽快得到补偿。

带宽和平行布线空间在共同层堆的应用须知中有定义。

现在许多终端都在垂死挣扎，所以不需要什么单独的组件，进一步简化布线。

布线不能穿过电源空隙或从下从上穿过地平面。

图7：为一个差动对布线。差动对布线之间必须非常精确，只允许很小的公差。

高端PCB布局应用为这个布线问题提供多种解决方案。例如，附加到CADSTAR套件上的Zuken P.R.Editor 5000HS，最有效的解决方案是使用半自动主线布线，主线上的对被约束为单个项。

最宝贵的分析往往通过调查设计方案在物理设计开始前完成。主要数据从并行单端至差动串行的改变对不同电路板和蚀刻功能的相关重要性产生了很大的不同。

在单端信号中，最重要的电磁耦合是在PCB轨迹和地面或电源层上或下之间。

在紧密耦合平行轨道的差分信号中，在轨迹之间有着巨大的电磁耦合，如图3和图4所示。

例如PCI Express，是专为低成本印刷电路板层堆栈而设计的，其中包括四层FR-4，在表面层布线。

虽然表面层通常是半盎司重量的铜蚀刻的，蚀刻铜厚度为18微米，随后电镀使之达到约48微米。蚀刻和电镀的变化想结合，使之偏离理想的矩形形状。

图8：在Zuken SI Verify中的差动对轨迹的横截面分析。厚度和截面形状对于紧密耦合的差分对非常重要。

如图8成品所示的横截面计算了48.5Ω奇模阻抗，意味着理想的差动终端是99Ω（双奇数模阻抗）。

然而，如果我们忽视电镀，假设横截面是矩形的，奇模阻抗就是51Ω，预测的理想终端是102Ω。

高速串行信号经常使用如8-10位编码来优化传输数字信号；8-10位编码地图8位符号到10位符号。通过实现1和0的接近平衡，平均直流电平在其中心是平衡的，因此电容性交流终端能够有效运作。

这一行应该是用选定的线代码和预期的颤动水平模拟建立一个眼睛的形状，如图9所示，那么它的性能就可以在设计早期阶段进行评估。

图9：在Zuken CR-5000 Lightning中的LVDS点对点连接的眼睛形状。眼睛的形状由+和-输入差动分别产生，由此产生差动接收信号（底部）。

结论

最常见的PCB外形因素，最新的信号传输技术设计为可以容忍制造过程中的显著差异，假设每个PCB中的物理特征都一致，在需要的部位对称。相对较宽裕的公差范围在现在的外包制造业中是特别有用的。

不仅是特殊产品，还有主流产品，对电气性能的准确预测仍然是需要的。这为未预见的环境和工艺变化中，以及设施在之后的设计中的改变和升级，确保了最大的可靠性。

John Berrie是Zuken的高级顾问。您可以发送邮件到john.berrie@zuken.com和他取得联系。