延迟是令人沮丧的，无论是在我们的日常生活中，还是在我们方便使用的设备。传播延迟/时间延迟抑制设备的预期功能。当我对你的产品的基本功能负责时，我会说“我对你的产品负责”。这些元件是根据印刷电路板上蚀刻的电路以特定方式排列的。
PCB线路是当今电子工业中使用的大多数设备中的信号载体。好的PCB设计必须通过调整迹线阻抗和迹线长度，确保信号从信号源及时传输到负载，以便控制传播延迟。
高速接口，如DDR3、HDMI、以太网、SATA，PCI ExpressUSB等用于快速数据传输，容易出现与时间延迟相关的问题。这就是为什么在设计PCB时高速信号时钟和数据信号之间以及源和目标组件之间的同步非常关键。如果它们不同步，数据将被破坏。
在这篇文章中，我们将讨论并让你了解PCB中信号的延时效应。
- 什么是PCB中的传播延迟？
- 为什么会出现传播延迟？
- 传输延迟和延迟有什么区别？
- 传播延迟如何影响PCB轨迹上的信号速度？
- 如何计算信号速度？
- 如何测量传播延迟？
- 互连上的信号速度
- 如何减少/控制传播延迟 ?
- 走线长度调整/匹配用可控阻抗轨迹控制传输延迟
- 降低传输延迟的高速PCB设计规则
- 在选择高速PCB设计软件之前，请考虑这些参数
- 高速印刷电路板材料
- 几种PCB材料的传播延迟
- 信号损失与频率迹线的相关性
上的传播延迟PCB跟踪信号在该走线上传输所需的单向（源到加载）时间。它以单位长度的时间表示。传播延迟是介电常数（Er）和迹线几何结构的函数。对于给定的PCB层压板和给定的介电常数，不同阻抗线的时延是固定的。
为什么会出现传播延迟？杂散电容是造成任何电路延时的原因。我们并不是故意在电路中使用电容器；不过，还是有电容的。总电容取决于它们的相对大小和迹线的几何形状。杂散电容包括线间电容、线与相邻地平面之间的电容、迹线与自由空间之间的电容。
杂散电容的影响导致信号延迟。底线是当数字信号改变状态时，由于杂散电容必须充放电，在目的地进行转换需要一些时间。
传输延迟和延迟有什么区别？传输延迟和传播延迟可以互换使用，但当需要从模拟/数字方面分析系统时，需要对它们进行不同的处理。
逻辑信号在PCB走线中的计时可以通过以下方法计算输电线路方法：
方法1：当PCB走线的一侧延时等于或大于所应用信号上升/下降时间的一半时，通过其特性阻抗终止传输线。
例子：一条2英寸的微带线在Er为4的情况下会表现出大约270ps的延迟。使用上述方法，当信号上升时间小于500ps时，终端将是精确的。
方法2：使用PCB走线长度 2英寸/ns（上升/下降时间）方法。如果信号走线超过了走线长度标准，则必须使用终止。
例子：为高速逻辑设计的上升/下降时间为5ns的PCB走线，如果走线长度等于或大于10英寸，则应通过其特性阻抗终止。
传播延迟如何影响PCB走线上的信号速度？当PCB在高频下工作时，其走线路径需要被视为传输线。可控阻抗计算对于这些传输线非常重要，因此信号反射、串扰、噪声和地面弹跳可能会有所缓解。这些问题需要特别注意，因为它们可能会对信号质量造成威胁，从而导致整个系统故障。这就是我们需要知道信号通过传输线传播的速度以及与之相关的传播延迟的原因。
如何计算信号速度？电磁信号在真空/空气中以与光相同的速度传播，即：
Vc= 3 x 10^8m/s = 186,000 mils/s = 11.8in/ns
对于微带/带状线PCB设计，信号速度计算如下：
在哪里？Vc是光在真空/空气中的速度。
微带/带状线PCB设计中的信号速度。
Ereff是微带线的有效介电常数，其值介于1和Er之间。
Ereff= (0.64 Er + 0.36)
它表示如果PCB上的信号速度低于空气中的信号速度。如果PCB材料的Er为4，那么带状线设计上的信号速度是空气中的一半，约为6in/ns。
如何测量传播延迟？让我们使用走线长度计算传播延迟/时间延迟，反之亦然。数学上，延时为tpd:1/v .其中v是PCB传输线中信号的速度。在真空/空气中，等于85ps/In。
在PCB传输线上，tpd由以下公式给出：
微带/带状线PCB设计中的传播延迟。
互连上的信号速度当在传输线的信号和返回路径之间施加电压时，信号沿着传输线向下传播。信号和回路之间总是存在电压分布。输电线路上的电压分布如下图所示。
传输线上信号和回路之间的电压分布。
如何减少/控制传播延迟？
我们不能改变时钟信号的速度，但我们可以通过改变PCB轨迹长度来改变信号到达的时间。迹线长度的微小变化可以帮助PCB组件同时与时钟信号保持同步，从而获得它们的固定状态。
不同PCB元件的时钟偏差计算也有助于补偿传播延迟/时延问题。蛇形线是另一种方法，它可以在下一个时钟脉冲到来之前，为信号提供所需的时间以达到满电平。它提供时钟脉冲，正好是完美的延迟量。在最佳实践中，最好将差分走线弯曲在一起，并且必须保持紧密耦合。那么，你如何决定哪些痕迹必须是蛇形线的呢？
- 确定最长的信号走线，并在网络中蜿蜒移动剩余的走线，以便在所有走线上同步信号。
- 调整连接给定网络中组件的时钟跟踪长度。
- 延迟时钟脉冲的时间，直到集成电路可以上升到全电压应用。
注：在信号网中，长度不匹配的走线总是与具有最大长度的走线匹配。在较短的迹线上添加曲流，以便增加其长度。
走线长度调整/匹配由于时序不匹配，穿过 PCB 中不同走线的信号在不同时间到达负载。延迟调谐对于确保数据在多个并行互连、差分对中的走线和时钟信号的准确时间到达负载至关重要。执行走线长度调整以解决信号延迟时间。
延迟和走线长度调整反映了相同的想法。对于长度调整，可以在匹配的网络组中设置信号走线的长度。众所周知，时序延迟是不可避免的。我们只能采取措施加以控制。通过将具有相同长度的走线放置在匹配组中，我们尝试确保所有穿过这些走线的信号都在固定的时间延迟内到达。现在的问题是，如果在一个匹配组中有两条不匹配的信号走线怎么办？可以通过向较短的信号轨迹（称为蛇形线）添加延迟来同步穿过此类走线的信号。
理论上，接收器会立即接收由发射器发送的任何波形/信号。我们还假设时钟信号具有零时间间隙并且在接收器处同时处理。但现实是不同的。如果 PCB 走线的长度略有不匹配，则信号可能不会同时到达接收引脚。PCB 走线调谐确保关键信号到达时间匹配的走线长度相等。
用可控阻抗轨迹控制传输延迟不同的迹线几何形状/结构可用于可控阻抗踪迹。我们在这里讨论的跟踪配置基于IPC标准2141A .
- 微带线：它是由一根离散的绝缘导线组成，在接地层上以固定的距离隔开。电介质可以是导线的绝缘壁，也可以是这种绝缘和空气的组合。
微带线是一种在地平面上以固定距离隔开的离散绝缘线。
- 表面微带：在一侧有接地层的双面PCB设计中，另一侧的信号轨迹可以设计为受控阻抗。这种跟踪结构被称为表面微带或简称微带。
一面是接地板，另一面是信号迹线的表面微带线。
- 嵌入式/对称带状线：在多层PCB中，这种布置实现电源和接地层之间的信号跟踪。高频信号轨迹的返回电流路径位于平面上信号轨迹的上方和下方。因此，高频信号保留在PCB内部，从而减少发射并屏蔽其他杂散信号。
对称带状线实现了电源和地平面之间的信号跟踪。
注：接地层为零电位，低阻抗基准面面积较大。
- 共面结构：共面波导结构在PCB的同一层上具有信号轨迹和返回路径导体。信号轨迹位于中心，被两个相邻的外接地层包围；之所以称之为“共面”，是因为这三个平面结构位于同一平面上。PCB电介质位于下面。两者兼而有之微带和带状线可能有共面结构
共面结构有一个信号轨迹，被两个相邻的外接地层包围。
降低传输延迟的高速PCB设计规则精确的时间延迟管理需要跟踪长度计算来实现高速PCB布线因此。PCB上元件之间的距离很短。我们甚至不考虑信号在PCB上传输所花费的时间。但在高速印刷电路板中，交换发生的边缘速率小于1ns。如果你想让你的系统不受干扰地运行，那么组件之间如此短的距离显然是最重要的。
- 设计者必须知道预期PCB信号的具体定时公差。
- 使用不同信令标准以不同数据速率运行的不同接口。指定不同的允许长度或时间不匹配。当规划PCB中的I/O通道时，设计者应该寻找可接受的长度不匹配，并将其转换为允许的时序不匹配。
- 避免使用介电常数较大的基板：通常，具有较大介电常数的基板会导致较低的信号速度，这超过了允许的指定传播延迟，尤其是在数据线和时钟之间。
- 关注pin封装延迟：当信号到达特定组件的引脚/焊盘时，它仍然需要沿着组件封装的内部穿过暴露的导体路径。在穿过与内部电路相关的信号迹线和连接线时，信号会经历寄生电感和电容，与迹线相比，这些寄生电感和电容会影响信号在连接线中的传播速度。连接线也有不同的几何形状，增加了不同引脚/焊盘上的信号延迟。建议向制造商询问与特定部件相关的管脚封装延迟。它以皮秒（ps）或毫米/微米的长度表示。在对差分对信号或单端信号进行任何延迟/长度调谐时，应考虑该长度。
- 注意你的“时钟倾斜”：当时钟和信号轨迹的长度不同时，会导致称为时钟偏移的定时不匹配。忽略此问题可能会导致锁定错误的数据。时钟延迟应大于数据信号中的最大延迟。
- 检查倾斜持续时间：有关时钟和接收器的数据表，请始终参考数据表，以了解部件的设置和公差。
- 材料分散是一种高频现象。一定要考虑开关频率。
如果您使用的软件只考虑长度不匹配，那么您可以轻松计算给定基板的正确长度不匹配值。这种长度不匹配等于定时不匹配乘以给定衬底中的信号速度（in/ns）。一个好的PCB设计软件应该为目标传播延迟提供以下内容：
- 交互式路由功能
- 智能长度调整
- IPP增强功能（即时访问新功能和现有功能）
- 动态数据模型（加速网络列表创建）
- 用户友好型
我们都知道，信号速度不仅受迹线几何形状、迹线位置的影响，而且还受衬底材料的影响。迹线的介电常数决定着它的信号速度。让我们看看一个例子；如果我们在真空中悬挂一条轨迹，只有该轨迹的介电常数会影响速度。如果痕迹在PCB表面，则信号速度也会受到附近其他介质的影响；这就是PCB中发生的情况。线路在PCB基板材料（具有固定的介电常数值）上运行。基板的介电常数、空气和焊锡掩模的介电常数是决定信号速度的主要因素。这被称为有效介电常数(铒 有效)。板厚也会影响信号的速度。查看更多信息学习高速PCB设计 .
FR4可用于高速PCB设计，当层与高速层合板层压时，如Rogers。在高频段，FR4经历了色散，从而提高了传输速度，减小了传输延迟。FR4中的电磁吸收产生更多信号衰减与之相关的痕迹。因此，高速层压板与FR4层压板一起用于高速迹线下方，尤其是频率高于5GHz时。
几种PCB材料的传播延迟一些PCB材料的信号速度和传播/延时如下表所示：
信号损耗与频率的相关性
下图描述了信号损耗和频率之间存在直接的相关性。同时，我们也可以看到某些材料的损耗比其他材料小。这张图显示了在更高的速度下，哪些材料的电性能可能更好。
随着频率的增加，一些材料表现出较少的损耗行为。
印刷电路板的主要功能是在器件之间准确无损耗地传输信号。传播延迟或时间延迟对高速板的正常运行起着重要作用。它不能完全避免，但可以通过采用不同的迹线配置，然后根据需要进行精确的长度匹配和弯曲来减少。你应该知道在你的设计，材料电介质，以及哪些轨迹需要延迟测量。您还需要了解时钟和数据等信号之间的关系，以使电路板正常工作。
来源：电子资料库
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