PCB走线的拓扑结构及其适用场合

电子小跑腿 · 发表于 2017-4-11 19:50:29

解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。走线的拓扑结构是指一根网线的布线顺序及布线结构。当使用高速逻辑器件时，除非走线分支长度保持很短.否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB走线常见的拓扑结构有：
（1）点到点拓扑结构，单一驱动器、单一接收器。只要在驱动端或接收端进行适当的阻抗匹配，便可以得到较好的信号完整性。
（2）菊花链拓扑用最短的互连传输线把所有的缓冲器连接起来，但是每个缓冲器最多只能通过两段传输线连接到另外的两个缓冲器，从主驱动器开始，然后通过传输线连接到与主驱动器最近的缓冲器上，然后查找与该缓冲器最近的未连接缓冲器，将两者用传输线连接起来，然后再以刚加入连接的缓冲器为基准，再次查找最近的未连接缓冲器进行连接，依此类推，直至完成所有的缓冲器连接，连接完成后，从主驱动器开始，所有的缓冲器连接成链状。
（4）星形拓扑从主驱动器开始，一个信号驱动器驱动多个信号接收器，并要求多个信号接收器同时接收信号时，每个分支的接收端负载和走线长度尽量保持一致，每条分支上一般都需要终端电阻，终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。这样即使在边沿速率非常快的情况下仍可以得到很好的性能。星形拓扑结构可以有效地避免时钟信号的不同步问题。
（5）远端簇形与星形很相似，不同之处在于最后一个连入驱动器菊花链的那个驱动器通过一段较长的传输线连接到一个“T”形节点上，然后所有的接收器也都通过传输线连接到这个“T”节点上，所有的接收器都簇笼在一起。分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中，也要限制远端分支的长度，使分支上的传输延时小于信号的上升或下降时间。
（6）周期性负载
周期性负载的拓扑结构，要求每段分支的长度足够小，使分支上的传输延时小于信号的上升或下降时间。这种主干传输线和所有的分支段组合起来的结构可以被看做一段新的传输线，其特征阻抗要比原来主干传输线的特征阻抗小，传输速率也比原来的低，因此在进行阻抗匹配时要注意。

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网络连接究竟应该采用哪种拓扑形式，在很大程度上是由电路的要求决定的，然后才是布局、布线的方便性。
（1）点到点拓扑这种拓扑是最简单的，布局布线上都很容易实现，易于实现阻抗控制。普通低速网络是否能采用点到点拓扑，完全看电路的需求；而高速和超高速的互连，很多情况下必需要求点到点的互连，如高速串行信号的互连，以最小化阻抗不连续带来的影响；精确定时的时钟信号也不允许有分叉存在，因为分叉带来的阻抗不连续会引起附加抖动。
（2）菊花链拓扑一般而言，对于多负载的总线系统常采用菊花链拓扑，并在最远端的负载处进行适当的终结。
菊花链走线的优点：
占用的布线空间较小并可用单一电阻匹配终结；易于进行阻抗控制，端接简单，网络的布线长度短，布线较为方便，只要各个接收器在接收信号时间上的差别在允许的范围内就可以采用菊花链拓扑进行布线。对于菊花链布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在实际设计中，我们是使菊花链布线中分支长度尽可能短，安全的长度值应该是：Stub Delay <= Trt*0.1。
在控制走线的高次谐波干扰方面，效果较好.
菊花链走线的缺点：
布通率低，不容易100％布通；
不同的信号接收端，信号的接收是不同步的。
（3）星形拓扑星形拓扑也是一种常用的多负载布线拓扑，驱动器位于星形的中央，呈辐射状与多个负载相连，星形拓扑可以有效避免信号在多个负载上的不同步问题，可以让负载上收到的信号完全同步。星形拓扑的问题在于需要对每个支路分别终端端接，使用器件多，而且驱动器的负载大，必需驱动器有相应的驱动能力才能使用星形拓扑，如果驱动能力不够，需要加缓冲器。为了降低功耗和缓解驱动器的负载压力，可以采用RC终端端接，但这种端接方式更加复杂，而且只能用于时钟信号。星形拓扑一般在时钟网络或对信号同步要求高的网络中应用，其共同点就是要求各接收器在同一时刻收到驱动端发来的信号，星形拓扑的布线难度比菊花链拓扑的要大，占用空间也大。实际的星形拓扑会存在端接传输线分支，驱动器与公共节点间存在传输线分支，这些都会劣化信号，所以在完成星形拓扑一般需要前仿真和后仿真，以保证信号的完整性。布线从驱动端开始，平行到达各接受端，可以有效的避免时钟信号的不同步问题。
（4）远端簇形拓扑实际上是星形拓扑的一个改进，它将星形拓扑中位于源端的分支节点移动到与接收器最近的远端，即满足了各个接收器上接收信号的同步问题，又解决了阻抗匹配复杂和驱动器负载重的问题，因为远端簇形拓扑只需要在分支节点处终端匹配就可以了。远端簇形拓扑要求各个接收器到分支点的距离要尽量近，分支线长了会严重影响信号的质量，如果各个接收器芯片在空间上不能摆放在一起，那么就不能采用远端簇形拓扑。同样，一般需要前仿真和后仿真，以保证信号的完整性。
总之，我们在进行拓扑设计时，可以在以上经典的拓扑基础上灵活运用，没有定式，一个大的原则就是保证信号质量，武器就是利用SI软件进行拓扑的分析和仿真。在实际的PCB设计过程中，对于关键信号，应通过信号完整性分析来决定采用哪一种拓扑结构。