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信号完整性100条经验法则

2017-2-15 16:47| 发布者: 00d44| 查看: 1108| 评论: 0

摘要: 随着现代数字电子系统突破1GHz的壁垒,PCB板级设计和IC封装设计必须都要考虑到信号完整性和电气性能问题。 凡是介入物理设计的人都可能会影响产品的性能。所有的设计师都应该了解设计如何影响信号完整性,至少能够和 ...

随着现代数字电子系统突破1GHz的壁垒,PCB板级设计和IC封装设计必须都要考虑到信号完整性和电气性能问题。 凡是介入物理设计的人都可能会影响产品的性能。所有的设计师都应该了解设计如何影响信号完整性,至少能够和信号完整性专业的工程师进行技术上的沟通。 当快速地得到粗略的结果比以后得到精确的结果更重要时,我们就使用经验法则。




经验法则只是一种大概的近似估算,它的设计目的是以最小的工作量,以知觉为基础找到一个快速的答案。经验法则是估算的出发点,它可以帮助我们区分5或50,而且它能帮助我们在设计的早期阶段就对设计有较好的整体规划。



估计信号完整性效应 
经验法则100条




一、
第1-10

1、信号上升时间约是时钟周期的10%,即1/10x1/Fclock。例如100MHZ 使中的上升时间大约是1NS.


2、理想方波的N 次谐波的振幅约是时钟电压副值的2/(N 派)倍。例如,1V时钟信号的第一次谐波幅度约为0.6V,第三次谐波的幅度约是0.2V。


3、信号的带宽和上升时间的关系为:BW=0.35/RT。例如,如果上升时间是1NS,则带宽是350MHZ。如果互连线的带宽是3GHZ,则它可传输的最短上升时间约为0.1NS。


4、如果不知道上升时间,可以认为信号带宽约是时钟频率的5 倍。


5、LC 电路的谐振频率是5GHZ/sqrt(LC),L 的单位为NH,C 的单位为PF。


6、在400MHZ 内,轴向引脚电阻可以看作理想电阻;在2GHZ 内,SMT0603电阻可看作理想电阻。


7、轴向引脚电阻的ESL(引脚电阻)约为8NH,SMT 电阻的ESL 约是1.5NH。


8、直径为1MIL 的近键合线的单位长度电阻约是1 欧姆/IN。


9、24AWG 线的直径约是20MIL,电阻率约为25 毫欧姆/FT。


10、 1 盎司桶线条的方块电阻率约是每方块0.5 豪欧姆。




二、
第11-20



11、 在10MHZ 时,1 盎司铜线条就开始具有趋肤效应。


12、 直径为1IN 球面的电容约是2PF。


13、 硬币般大小的一对平行板,板间填充空气时,他们间的电容约为1PF。


14、 当电容器量板间的距离与板子的宽度相当时,则边缘产生的电容与平行板形成的产生的电容相等。例如,在估算线宽为10MIL、介质厚度为10MIL的微带线的平行板电容时,其估算值为1PF/IN,但实际的电容约是上述的两倍,也就是2PF/IN。


15、 如果问对材料特性一无所知,只知道它是有机绝缘体,则认为它的介电常数约为4。


16、 1 片功率为1W 的芯片,去耦电容(F)可以提供电荷使电压降小于小于5%的时间(S)是C/2。


17、 在典型电路板钟,当介质厚度为10MIL 时,电源和地平面间的耦合电容是100PF/IN 平方,并且它与介质厚度成反比。


18、 如果50 欧姆微带线的体介电常数为4,则它的有效介电常数为3。


19、 直径为1MIL 的圆导线的局部电感约是25NH/IN 或1NH/MM。


20、 由10MIL 厚的线条做成直径为1IN 的一个圆环线圈,它的大小相当于拇指和食指围在一起,其回路电感约为85NH。




三、
第21-30

21、 直径为1IN 的圆环的单位长度电感约是25NH/IN 或1NH/MM。例如,如果封装引线是环形线的一部分,且长为0.5IN,则它的电感约是12NH。


22、 当一对圆杆的中心距离小于它们各自长度的10%时,局部互感约是各自的局部互感的50%。


23、 当一对圆杆中心距与它们的自身长度相当时,它们之间的局部互感比它们各自的局部互感的10%还要少。


24、 SMT 电容(包括表面布线、过孔以及电容自身)的回路电感大概为2NH,要将此数值降至1NH 以下还需要许多工作。


25、 平面对上单位面积的回路电感是33PHx 介质厚度(MIL)。


26、 过孔的直径越大,它的扩散电感就越低。一个直径为25MIL 过孔的扩散电感约为50PH。


27、 如果有一个出沙孔区域,当空闲面积占到50%时,将会使平面对间的回路电感增加25%。


28、 铜的趋肤深度与频率的平方跟成反比。1GHZ 时,其为2UM。所以,10MHZ 时,铜的趋肤是20UM。


29、 在50 欧姆的1 盎司铜传输线中,当频率约高于50MHZ 时,单位长度回路电感为一常数。这说明在频率高于50MHZ 时,特性阻抗时一常数。


30、 铜中电子的速度极慢,相当于蚂蚁的速度,也就是1CM/S。




四、
第31-40

31、 信号在空气中的速度约是12IN/NS。大多数聚合材料中的信号速度约为6IN/NS。


32、 大多数辗压材料中,线延迟1/V 约是170PS/IN。


33、 信号的空间延伸等于上升时间X 速度,即RTx6IN/NS。


34、 传输线的特性阻抗与单位长度电容成反比。


35、 FR4 中,所有50 欧姆传输线的单位长度电容约为3.3PF/IN。


36、 FR4 中,所有50 欧姆传输线的单位长度电感约为8.3NH/IN。


37、 对于FR4 中的50 欧姆微带线,其介质厚度约是线宽的一半。


38、 对于FR4 中的50 欧姆带状线,其平面间的间隔时信号线线宽的2倍。


39、 在远小于信号的返回时间之内,传输线的阻抗就是特性阻抗。例如,当驱动一段3IN 长的50 欧姆传输线时,所有上升时间短与1NS 的驱动源在沿线传输并发生上升跳变时间内感受到的就是50 欧姆恒定负载。


40、 一段传输线的总电容和时延的关系为C=TD/Z0。




五、
第41-50



41、 一段传输线的总回路电感和时延的关系为L=TDxZ0。


42、 如果50 欧姆微带线中的返回路径宽度与信号线宽相等,则其特性阻抗比返回路径无限宽时的特性阻抗高20%。


43、 如果50 欧姆微带线中的返回路径宽度至少时信号线宽的3 倍,则其特性阻抗与返回路径无限宽时的特性阻抗的偏差小于1%。


44、 布线的厚度可以影响特性阻抗,厚度增加1MIL,阻抗就减少2欧姆。


45、 微带线定部的阻焊厚度会使特性阻抗减小,厚度增加1MIL,阻抗减少2欧姆。


46、 为了得到精确的集总电路近似,在每个上升时间的空间延伸里至少需要有3.5 个LC 节。


47、 单节LC 模型的带宽是0.1/TD。


48、 如果传输线时延比信号上升时间的20%短,就不需要对传输线进行端接。


49、 在50 欧姆系统中,5 欧姆的阻抗变化引起的反射系数是5%。


50、 保持所有的突变(IN)尽量短于上升时间(NS)的量值。




六、
第51-60

51、 远端容性负载会增加信号的上升时间。10-90 上升时间约是(100xC)PS,其中C 的单位是PF。


52、 如果突变的电容小于0.004XRT,则可能不会产生问题。


53、 50 欧姆传输线中拐角的电容(Ff)是线宽(MIL)的2 倍。


54、 容性突变会使50%点的时延约增加0.5XZ0XC。


55、 如果突变的电感(NH)小于上升时间(NS)的10 倍,则不会产生问题。


56、 对上升时间少于1NS 的信号,回路电感约为10NH 的轴向引脚电阻可能会产生较多的反射噪声,这时可换成片式电阻。


57、 在50 欧姆系统中,需要用4PF 电容来补偿10NH 的电感。


58、 1GHZ 时,1 盎司铜线的电阻约是其在DC 状态下电阻的15 倍。


59、 1GHZ 时,8MIL 宽的线条的电阻产生的衰减与介质此材料产生的衰减相当,并且介质材料产生的衰减随着频率变化得更快。


60、 对于3MIL或更宽的线条而言,低损耗状态全是发生在10MHZ频率以上。在低损耗状态时,特性阻抗以及信号速度与损耗和频率无关。在常见的级互连中不存在由损耗引起的色散现象。




七、
第61-70



61、 -3DB 衰减相当于初始信号功率减小到50%,初始电压幅度减小到70%。


62、 -20DB 衰减相当于初始信号功率减小到1%,初始电压幅度减小到10%。


63、 当处于趋肤效应状态时,信号路径与返回路径的单位长度串联约是(8/W)Xsqrt(f)(其中线宽W:MIL;频率F:GHZ)。


64、 50 欧姆的传输线中,由导体产生的单位长度衰减约是36/(Wz0)DB/IN。


65、 FR4 的耗散因子约是0.02。


66、 1GHZ 时,FR4 中由介质材料产生的衰减约是0.1DB/IN,并随频率线性增加。


67、 对于FR4 中的8MIL 宽、50 欧姆传输线,在1GHZ 时,其导体损耗与介质材料损耗相等。


68、 受损耗因子的制约,FR4 互连线(其长是LEN)的带宽约是30GHZ/LEN。


69、 FR4 互连线可以传播的最短时间是10PS/INxLEN。


70、 如果互连线长度(IN)大于上升时间(NS)的50 倍,则FR4 介质板中由损耗引起的上升边退化是不可忽视的。




八、
第71-80

71、 一对50 欧姆微带传输线中,线间距与线宽相等时,信号线间的耦合电容约占5%。


72、 一对50 欧姆微带传输线中,线间距与线宽相等时,信号线间的耦合电感约占15%。


73、 对于1NS 的上升时间,FR4 中近端噪声的饱和长度是6IN,它与上升时间成比例。


74、 一跟线的负载电容是一个常数,与附近其他线条的接近程度无关。


75、 对于50 欧姆微带线,线间距与线宽相等时,近端串扰约为5%。


76、 对于50 欧姆微带线,线间距是线宽的2 倍时,近端串扰约为2%。


77、 对于50 欧姆微带线,线间距是线宽的3 倍时,近端串扰约为1%。


78、 对于50 欧姆带状线,线间距与线宽相等时,近端串扰约为6%。


79、 对于50 欧姆带状线,线间距是线宽的2 倍时,近端串扰约为2%。


80、 对于50 欧姆带状线,线间距是线宽的3 倍时,近端串扰约为0.5%。




九、
第81-90

81、 一对50 欧姆微带传输线中,间距与线宽相等时,远端噪声是4%Xtd/rt。如果线时延是1ns,上升时间时0.5ns,则远端噪声是8%。


82、 一对50 欧姆微带传输线中,间距是线宽的2 倍时,远端噪声是2%Xtd/rt。如果线时延是1ns,上升时间时0.5ns,则远端噪声是4%。


83、 一对50欧姆微带传输线中,间距是线宽的3 倍时,远端噪声是1.5%Xtd/rt。如果线时延是1ns,上升时间时0.5ns,则远端噪声是4%。


84、 带状线或者完全嵌入式微带线上没有远端噪声。


85、 在50 欧姆总线中,不管是带状线还是微带线,要使最怀情况下的远端噪声低于5%,就必须保持线间距大于线宽的2 倍。


86、 在50 欧姆总线中,线间距离等于线宽时,受害线上75%的窜扰来源于受害线两边邻近的那两跟线。


87、 在50 欧姆总线中,线间距离等于线宽时,受害线上95%的窜扰来源于受害线两边距离最近的每边各两根线条。


88、 在50 欧姆总线中,线间距离是线宽的2 倍时,受害线上100%的窜扰来源于受害线两边邻近的那两根线条。这是忽略与总线中其他所有线条间的耦合。


89、 对于表面布线,加大相邻信号线间的距离使之足以添加一个防护布线,串扰常常就会减小到一个可以接受的水平,而且这是没必要增加防护布线。添加终端短接的防护布线可将串扰减小到50%。


90、 对于带状线,使用防护线可以使串扰减小到不用防护线时的10%。




十、
第91-100




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