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100条估计信号完整性效应的经验法则(一)

发布时间:2019-09-11 责任编辑:wenwei

【导读】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。
 
100条估计信号完整性效应的经验法则(一)
 
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,以经验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。在速度和精度的权衡之间,经验法则倾向于速度,但它并不是很准确。
 
当然,不可以盲目的使用经验法则,它必须基于对基本理论的深刻了解和良好的工程判断能力。
 
当精确度很重要时,例如在设计中某个数值偏离百分之几就要付出百万美元的代价,就必须使用验证过的数值仿真工具。
 
估计信号完整性效应的经验法则(1-50):
 
1、信号上升时间约是时钟周期的10%,即1/10*1/Fclock。例如100MHz时钟的上升时间大约是1NS。
 
2、理想方波N次谐波的振幅约是时钟电压副值的2/(Nπ)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的键合线的单位长度电阻约是1欧姆/inch。
 
9、24AWG线的直径约是20mil,电阻率约为25毫欧姆/ft。
 
10、1盎司铜线条的方块电阻率约是每方块0.5毫欧姆。
 
11、在10MHz时,1盎司铜线条就开始具有趋肤效应。
 
12、直径为1inch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,它们间的电容约为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/inch,但实际的电容约是上述的两倍,也就是2pF/inch。
 
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5%的时间(S)是C/2。
 
17、在典型电路板中,当介质厚度为10mil时,电源和地平面间的耦合电容是100pF/inch2,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/inch或1nH/mm。
 
20、由10mil厚的线条做成直径为1inch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。
 
21、直径为1inch的圆环的单位长度电感约是25nH/inch或1nH/mm。例如,如果封装引线是环形线的一部分,且长为0.5inch,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33pH x 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2μM。所以,10MHz时,铜的趋肤是20μM。
 
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。
 
31、信号在空气中的速度约是12inch/ns。大多数聚合材料中的信号速度约为6inch/ns。
 
32、大多数辗压材料中,线延迟1/V约是170ps/inch。
 
33、信号的空间延伸等于上升时间 X 速度,即RT x 6inch/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/inch。
 
36、FR4中,所有50欧姆传输线的单位长度电感约为8.3nH/inch。
 
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,其平面间的间隔是信号线线宽的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3inch长的50欧姆传输线时,所有上升时间短于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。
 
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是信号线宽的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、微带线内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、为了得到集总电路的精确近似,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(inch)尽量短于上升时间(ns)的量值。
 
 
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