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100條估計信號完整性效應的經驗法則(一)

發(fā)布時間:2019-09-11 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)突破1GHz的壁壘,PCB板級設計和IC封裝設計必須都要考慮到信號完整性和電氣性能問題。凡是介入物理設計的人都可能會影響產品的性能。所有的設計師都應該了解設計如何影響信號完整性,至少能夠和信號完整性專業(yè)的工程師進行技術上的溝通。當快速地得到粗略的結果比以后得到精確的結果更重要時,我們就使用經驗法則。
 
100條估計信號完整性效應的經驗法則(一)
 
經驗法則只是一種大概的近似估算,它的設計目的是以最小的工作量,以經驗為基礎找到一個快速的答案。經驗法則是估算的出發(fā)點,它可以幫助我們區(qū)分5或50,而且它能幫助我們在設計的早期階段就對設計有較好的整體規(guī)劃。在速度和精度的權衡之間,經驗法則傾向于速度,但它并不是很準確。
 
當然,不可以盲目的使用經驗法則,它必須基于對基本理論的深刻了解和良好的工程判斷能力。
 
當精確度很重要時,例如在設計中某個數(shù)值偏離百分之幾就要付出百萬美元的代價,就必須使用驗證過的數(shù)值仿真工具。
 
估計信號完整性效應的經驗法則(1-50):
 
1、信號上升時間約是時鐘周期的10%,即1/10*1/Fclock。例如100MHz時鐘的上升時間大約是1NS。
 
2、理想方波N次諧波的振幅約是時鐘電壓副值的2/(Nπ)倍。例如,1V時鐘信號的第一次諧波幅度約為0.6V,第三次諧波的幅度約是0.2V。
 
3、信號的帶寬和上升時間的關系為:BW=0.35/RT。例如,如果上升時間是1ns,則帶寬是350MHz。如果互連線的帶寬是3GHz,則它可傳輸?shù)淖疃躺仙龝r間約為0.1ns。
 
4、如果不知道上升時間,可以認為信號帶寬約是時鐘頻率的5倍。
 
5、LC電路的諧振頻率是5GHz/sqrt(LC),L的單位為nH,C的單位為pF。
 
6、在400MHz內,軸向引腳電阻可以看作理想電阻;在2GHz內,SMT0603電阻可看作理想電阻。
 
7、軸向引腳電阻的ESL(引腳電阻)約為8nH,SMT電阻的ESL約是1.5nH。
 
8、直徑為1mil的鍵合線的單位長度電阻約是1歐姆/inch。
 
9、24AWG線的直徑約是20mil,電阻率約為25毫歐姆/ft。
 
10、1盎司銅線條的方塊電阻率約是每方塊0.5毫歐姆。
 
11、在10MHz時,1盎司銅線條就開始具有趨膚效應。
 
12、直徑為1inch球面的電容約是2pF。
 
13、硬幣般大小的一對平行板,板間填充空氣時,它們間的電容約為1pF。
 
14、當電容器量板間的距離與板子的寬度相當時,則邊緣電容與平行板形成的產生的電容相等。例如,在估算線寬為10mil、介質厚度為10mil的微帶線的平行板電容時,其估算值為1pF/inch,但實際的電容約是上述的兩倍,也就是2pF/inch。
 
15、如果問對材料特性一無所知,只知道它是有機絕緣體,則認為它的介電常數(shù)約為4。
 
16、1片功率為1W的芯片,去耦電容(F)可以提供電荷使電壓降小于5%的時間(S)是C/2。
 
17、在典型電路板中,當介質厚度為10mil時,電源和地平面間的耦合電容是100pF/inch2,并且它與介質厚度成反比。
 
18、如果50歐姆微帶線的體介電常數(shù)為4,則它的有效介電常數(shù)為3。
 
19、直徑為1mil的圓導線的局部電感約是25nH/inch或1nH/mm。
 
20、由10mil厚的線條做成直徑為1inch的一個圓環(huán)線圈,它的大小相當于拇指和食指圍在一起,其回路電感約為85nH。
 
21、直徑為1inch的圓環(huán)的單位長度電感約是25nH/inch或1nH/mm。例如,如果封裝引線是環(huán)形線的一部分,且長為0.5inch,則它的電感約是12nH。
 
22、當一對圓桿的中心距離小于它們各自長度的10%時,局部互感約是各自的局部互感的50%。
 
23、當一對圓桿中心距與它們的自身長度相當時,它們之間的局部互感比它們各自的局部互感的10%還要少。
 
24、SMT電容(包括表面布線、過孔以及電容自身)的回路電感大概為2nH,要將此數(shù)值降至1nH以下還需要許多工作。
 
25、平面對上單位面積的回路電感是33pH x 介質厚度(mil)。
 
26、過孔的直徑越大,它的擴散電感就越低。一個直徑為25mil過孔的擴散電感約為50pH。
 
27、如果有一個出沙孔區(qū)域,當空閑面積占到50%時,將會使平面對間的回路電感增加25%。
 
28、銅的趨膚深度與頻率的平方跟成反比。1GHz時,其為2μM。所以,10MHz時,銅的趨膚是20μM。
 
29、在50歐姆的1盎司銅傳輸線中,當頻率約高于50MHz時,單位長度回路電感為一常數(shù)。這說明在頻率高于50MHz時,特性阻抗時一常數(shù)。
 
30、銅中電子的速度極慢,相當于螞蟻的速度,也就是1cm/s。
 
31、信號在空氣中的速度約是12inch/ns。大多數(shù)聚合材料中的信號速度約為6inch/ns。
 
32、大多數(shù)輾壓材料中,線延遲1/V約是170ps/inch。
 
33、信號的空間延伸等于上升時間 X 速度,即RT x 6inch/ns。
 
34、傳輸線的特性阻抗與單位長度電容成反比。
 
35、FR4中,所有50歐姆傳輸線的單位長度電容約為3.3pF/inch。
 
36、FR4中,所有50歐姆傳輸線的單位長度電感約為8.3nH/inch。
 
37、對于FR4中的50歐姆微帶線,其介質厚度約是線寬的一半。
 
38、對于FR4中的50歐姆帶狀線,其平面間的間隔是信號線線寬的2倍。
 
39、在遠小于信號的返回時間之內,傳輸線的阻抗就是特性阻抗。例如,當驅動一段3inch長的50歐姆傳輸線時,所有上升時間短于1ns的驅動源,在沿線傳輸并發(fā)生上升跳變時間內感受到的就是50歐姆恒定負載。
 
40、一段傳輸線的總電容和時延的關系為C=TD/Z0。
 
41、一段傳輸線的總回路電感和時延的關系為L=TDxZ0。
 
42、如果50歐姆微帶線中的返回路徑寬度與信號線寬相等,則其特性阻抗比返回路徑無限寬時的特性阻抗高20%。
 
43、如果50歐姆微帶線中的返回路徑寬度至少是信號線寬的3倍,則其特性阻抗與返回路徑無限寬時的特性阻抗的偏差小于1%。
 
44、布線的厚度可以影響特性阻抗,厚度增加1mil,阻抗就減少2歐姆。
 
45、微帶線內部的阻焊厚度會使特性阻抗減小,厚度增加1mil,阻抗減少2歐姆。
 
46、為了得到集總電路的精確近似,在每個上升時間的空間延伸里至少需要有3.5個LC節(jié)。
 
47、單節(jié)LC模型的帶寬是0.1/TD。
 
48、如果傳輸線時延比信號上升時間的20%短,就不需要對傳輸線進行端接。
 
49、在50歐姆系統(tǒng)中,5歐姆的阻抗變化引起的反射系數(shù)是5%。
 
50、保持所有的突變(inch)盡量短于上升時間(ns)的量值。
 
 
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