高頻高速信號傳輸線應避免以90°的拐角走線,是各種PCB Design Guide中極力要求的,因為高頻高速信號傳輸線需要保持特性阻抗一致,而采用90°拐角走線,在傳輸線拐角處,會改變線寬,90°拐角處線寬約為正常線寬的 1.414倍,由于線寬改變了,就會造成信號的反射,同時,拐角處的額外寄生電容也會對信號的傳輸造成時延影響。
當然,當信號沿著均勻互連線傳播時,不會產生反射和傳輸信號的失真,如果均勻互連線上有一個90°拐角會,則會在拐角處造成pcb傳輸線寬的變化,根據相關電磁理論計算得出,這肯定會帶來信號的反射影響。
理論上是這樣,但理論終究是理論,實際情況90°拐角對高速信號傳輸線造成的影響是否是舉足輕重的呢?
所以,90°拐角對高速信號傳輸線會有負面影響,理論上是一定的,但是這種影響是不是致命的?90°拐角對于高速數字信號和高頻微波信號傳輸線的影響是不是一樣的?
根據 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 《信號完整性與電源完整性分析(第二版) 》第八章的內容,我們可以得出以下結論:
對于高速數字信號來說,90°拐角對高速信號傳輸線會造成一定的影響,對于我們現在高密高速pcb來說,一般走線寬度為4-5mil,一個90°拐角的電容量大約為10fF,經測算,此電容引起的時延累加大約為0.25ps,所以,5mil線寬的導線上的90°拐角并不會對現在的高速數字信號(100-psec上升沿時間)造成很大影響。
而對于高頻信號傳輸線來說,為了避免集膚效應(Skin effect)造成的信號損壞,通常會采用寬一點的信號傳輸線,例如50Ω阻抗,100mil線寬,這90°拐角處的線寬約為141mil,寄生電容造成的信號延時大約為25ps,此時,90°拐角將會造成非常嚴重的影響。同時,微波傳輸線總是希望能盡量降低信號的損耗,90°拐角處的阻抗不連續和而外的寄生電容會引起高頻信號的相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進而導致電路性能的惡化,影響 PCB 電路信號的傳輸特性。
關于90°信號走線,盡量避免以90°走線,單個90°拐角對高速數字傳輸線所帶來的信號質量影響,相對于導線與參考平面高度的偏差,導線自身蝕刻過程中線寬線距均勻性的變化偏差,板材介電常數對頻率信號的變化,甚至過孔寄生參數所帶來的影響都要比90°拐角所帶來的問題大得多。但是如今的高速數字電路傳輸線總避免不了要繞等長的,十幾二十個拐角疊加起來,這90°拐角所累計疊加起來的影響造成的信號上升延時將變得不可忽略。高速信號總是沿著阻抗最小的路徑傳輸,以90°拐角繞等長,最終的實際信號傳輸路徑會比原來的要略短一些。
而且現在的高速數字信號傳輸速率正在變得越來越高,目前的HDMI2.0標準,傳輸帶寬速率已經達到了18Gbps,90°拐角走線將不再符合要求,而且現在都21世紀了,現在的EDA軟件即便是那些免費使用的,對45°走線都已經支持的很好了。
同時,以90°拐角走線,以工程美學來說,也不太符合人們的審美觀。所以,對于現在的layout來說,不論你是不是走的高頻/高速信號線,我們都要盡量避免以90°拐角進行走線,除非有特殊的要求。對于大電流走線,有時我們會以鋪銅銅皮替換走線的方式布線,在鋪銅的拐角處,也需要以兩個45°拐角替換90°拐角,這樣不僅美觀,而且不會存在EMI隱患。