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隨著現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)突破1GHz的壁壘，PCB板級(jí)設(shè)計(jì)和IC封裝設(shè)計(jì)必須都要考慮到信號(hào)完整性和電氣性能問(wèn)題。凡是介入物理設(shè)計(jì)的人都可能會(huì)影響產(chǎn)品的性能。所有的設(shè)計(jì)師都應(yīng)該了解設(shè)計(jì)如何影響信號(hào)完整性，至少能夠和信號(hào)完整性專(zhuān)業(yè)的工程師進(jìn)行技術(shù)上的溝通。當(dāng)快速地得到粗略的結(jié)果比以后得到精確的結(jié)果更重要時(shí)，我們就使用經(jīng)驗(yàn)法則。
經(jīng)驗(yàn)法則只是一種大概的近似估算，它的設(shè)計(jì)目的是以最小的工作量，以知覺(jué)為基礎(chǔ)找到一個(gè)快速的答案。經(jīng)驗(yàn)法則是估算的出發(fā)點(diǎn)，它可以幫助我們區(qū)分5或50，而且它能幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)的早期階段就對(duì)設(shè)計(jì)有較好的整體規(guī)劃。下面是具有40年研究經(jīng)驗(yàn)的國(guó)際大師Eric Bogatin給出的100條估計(jì)信號(hào)完整性效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)法則。
一、第1-10條
1、信號(hào)上升時(shí)間約是時(shí)鐘周期的10%，即1/10x1/Fclock。例如100MHz時(shí)的上升時(shí)間大約是1ns。
2、理想方波的N次諧波的振幅約是時(shí)鐘電壓副值的2/（N次）倍。例如，1V時(shí)鐘信號(hào)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(hào)的帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系為：BW=0.35/RT。例如，如果上升時(shí)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(shí)間約為0.1ns。
4、如果不知道上升時(shí)間，可以認(rèn)為信號(hào)帶寬約是時(shí)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(nèi)，軸向引腳電阻可以看作理想電阻；在2GHz內(nèi)，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 的近鍵合線的單位長(zhǎng)度電阻約是1歐姆/IN。
9、24AWG 線的直徑約是20MIL，電阻率約為25毫歐姆/FT。
10、1盎司桶線條的方塊電阻率約是每方塊0.5 豪歐姆。
二、第11-20條
11、在10MHz時(shí)，1盎司銅線條就開(kāi)始具有趨膚效應(yīng)。
12、直徑為1IN 球面的電容約是2PF。
13、硬幣般大小的一對(duì)平行板，板間填充空氣時(shí)，他們間的電容約為1PF。
14、當(dāng)電容器量板間的距離與板子的寬度相當(dāng)時(shí)，則邊緣產(chǎn)生的電容與平行板形成的產(chǎn)生的電容相等。例如，在估算線寬為10MIL、介質(zhì)厚度為10MIL的微帶線的平行板電容時(shí)，其估算值為1PF/IN，但實(shí)際的電容約是上述的兩倍，也就是2PF/IN。
15、如果對(duì)材料特性一無(wú)所知，只知道它是有機(jī)絕緣體，則認(rèn)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小于5%的時(shí)間（S）是C/2。
17、在典型電路板中，當(dāng)介質(zhì)厚度為10MIL時(shí)，電源和地平面間的耦合電容是100PF/IN平方，并且它與介質(zhì)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(dǎo)線的局部電感約是25NH/IN 或1NH/MM。
20、由10MIL厚的線條做成直徑為1IN的一個(gè)圓環(huán)線圈，它的大小相當(dāng)于拇指和食指圍在一起，其回路電感約為85NH。
三、第21-30條
21、直徑為1IN的圓環(huán)的單位長(zhǎng)度電感約是25NH/IN或1NH/MM。例如，如果封裝引線是環(huán)形線的一部分，且長(zhǎng)為0.5IN，則它的電感約是12NH。
22、當(dāng)一對(duì)圓桿的中心距離小于它們各自長(zhǎng)度的10%時(shí)，局部互感約是各自的局部互感的50%。
23、當(dāng)一對(duì)圓桿中心距與它們的自身長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，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(guò)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(duì)上單位面積的回路電感是33PHx 介質(zhì)厚度（MIL）。
26、過(guò)孔的直徑越大，它的擴(kuò)散電感就越低。一個(gè)直徑為25MIL過(guò)孔的擴(kuò)散電感約為50PH。
27、如果有一個(gè)出沙孔區(qū)域，當(dāng)空閑面積占到50%時(shí)，將會(huì)使平面對(duì)間的回路電感增加25%。
28、銅的趨膚深度與頻率的平方根成反比。1GHz時(shí)，其為2UM。所以，10MHz 時(shí)，銅的趨膚是20UM。
29、在50歐姆的1盎司銅傳輸線中，當(dāng)頻率約高于50MHz時(shí)，單位長(zhǎng)度回路電感為一常數(shù)。這說(shuō)明在頻率高于50MHz時(shí)，特性阻抗是一常數(shù)。
30、銅中電子的速度極慢，相當(dāng)于螞蟻的速度，也就是1CM/S。
四、第31-40條
31、信號(hào)在空氣中的速度約是12IN/NS。大多數(shù)聚合材料中的信號(hào)速度約為6IN/NS。
32、大多數(shù)輾壓材料中，線延遲1/V 約是170PS/IN。
33、信號(hào)的空間延伸等于上升時(shí)間X 速度，即RTx6IN/NS。
34、傳輸線的特性阻抗與單位長(zhǎng)度電容成反比。
35、FR4中，所有50歐姆傳輸線的單位長(zhǎng)度電容約為3.3PF/IN。
36、FR4中，所有50歐姆傳輸線的單位長(zhǎng)度電感約為8.3NH/IN。
37、對(duì)于FR4中的50歐姆微帶線，其介質(zhì)厚度約是線寬的一半。
38、對(duì)于FR4中的50歐姆帶狀線，其平面間的間隔是信號(hào)線線寬的2倍。
39、在遠(yuǎn)小于信號(hào)的返回時(shí)間之內(nèi)，傳輸線的阻抗就是特性阻抗。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)一段3IN長(zhǎng)的50歐姆傳輸線時(shí)，所有上升時(shí)間短與1NS的驅(qū)動(dòng)源在沿線傳輸并發(fā)生上升跳變時(shí)間內(nèi)感受到的就是50歐姆恒定負(fù)載。
40、一段傳輸線的總電容和時(shí)延的關(guān)系為C=TD/Z0。
五、第41-50條
41、一段傳輸線的總回路電感和時(shí)延的關(guān)系為L(zhǎng)=TDxZ0。
42、如果50歐姆微帶線中的返回路徑寬度與信號(hào)線寬相等，則其特性阻抗比返回路徑無(wú)限寬時(shí)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(hào)線寬的3 倍，則其特性阻抗與返回路徑無(wú)限寬時(shí)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、微帶線頂部的阻焊厚度會(huì)使特性阻抗減小，厚度增加1MIL，阻抗減少2歐姆。
46、為了得到精確的集總電路近似，在每個(gè)上升時(shí)間的空間延伸里至少需要有3.5 個(gè)LC節(jié)。
47、單節(jié)LC模型的帶寬是0.1/TD。
48、如果傳輸線時(shí)延比信號(hào)上升時(shí)間的20%短，就不需要對(duì)傳輸線進(jìn)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（IN）盡量短于上升時(shí)間（NS）的量值。
六、第51-60條
51、遠(yuǎn)端容性負(fù)載會(huì)增加信號(hào)的上升時(shí)間。10-90上升時(shí)間約是（100xC）PS，其中C的單位是PF。
52、如果突變的電容小于0.004XRT，則可能不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
53、50歐姆傳輸線中拐角的電容（Ff）是線寬（MIL）的2倍。
54、容性突變會(huì)使50%點(diǎn)的時(shí)延約增加0.5XZ0XC。
55、如果突變的電感（NH）小于上升時(shí)間（NS）的10倍，則不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
56、對(duì)上升時(shí)間少于1NS的信號(hào)，回路電感約為10NH的軸向引腳電阻可能會(huì)產(chǎn)生較多的反射噪聲，這時(shí)可換成片式電阻。
57、在50歐姆系統(tǒng)中，需要用4PF電容來(lái)補(bǔ)償10NH的電感。
58、1GHz時(shí)，1盎司銅線的電阻約是其在DC 狀態(tài)下電阻的15倍。
59、1GHz時(shí)，8MIL寬的線條的電阻產(chǎn)生的衰減與介質(zhì)此材料產(chǎn)生的衰減相當(dāng)，并且介質(zhì)材料產(chǎn)生的衰減隨著頻率變化得更快。
60、對(duì)于3MIL或更寬的線條而言，低損耗狀態(tài)全是發(fā)生在10MHz頻率以上。在低損耗狀態(tài)時(shí)，特性阻抗以及信號(hào)速度與損耗和頻率無(wú)關(guān)。在常見(jiàn)的級(jí)互連中不存在由損耗引起的色散現(xiàn)象。
七、第61-70條
61、-3DB衰減相當(dāng)于初始信號(hào)功率減小到50%，初始電壓幅度減小到70%。
62、-20DB衰減相當(dāng)于初始信號(hào)功率減小到1%，初始電壓幅度減小到10%。
63、當(dāng)處于趨膚效應(yīng)狀態(tài)時(shí)，信號(hào)路徑與返回路徑的單位長(zhǎng)度串聯(lián)約是（8/W）Xsqrt（f）（其中線寬W:MIL；頻率F:GHz）。
64、50歐姆的傳輸線中，由導(dǎo)體產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度衰減約是36/（Wz0）DB/IN。
65、FR4的耗散因子約是0.02。
66、1GHz時(shí)，F(xiàn)R4中由介質(zhì)材料產(chǎn)生的衰減約是0.1DB/IN，并隨頻率線性增加。
67、對(duì)于FR4中的8MIL寬、50歐姆傳輸線，在1GHz時(shí)，其導(dǎo)體損耗與介質(zhì)材料損耗相等。
68、受損耗因子的制約，F(xiàn)R4互連線（其長(zhǎng)是LEN）的帶寬約是30GHz/LEN。
69、FR4互連線可以傳播的最短時(shí)間是10PS/INxLEN。
70、如果互連線長(zhǎng)度（IN）大于上升時(shí)間（NS）的50倍，則FR4介質(zhì)板中由損耗引起的上升邊退化是不可忽視的。
八、第71-80條
71、一對(duì)50歐姆微帶傳輸線中，線間距與線寬相等時(shí)，信號(hào)線間的耦合電容約占5%。
72、一對(duì)50歐姆微帶傳輸線中，線間距與線寬相等時(shí)，信號(hào)線間的耦合電感約占15%。
73、對(duì)于1ns的上升時(shí)間，F(xiàn)R4中近端噪聲的飽和長(zhǎng)度是6IN，它與上升時(shí)間成比例。
74、一根線的負(fù)載電容是一個(gè)常數(shù)，與附近其他線條的接近程度無(wú)關(guān)。
75、對(duì)于50歐姆微帶線，線間距與線寬相等時(shí)，近端串?dāng)_約為5%。
76、對(duì)于50歐姆微帶線，線間距是線寬的2倍時(shí)，近端串?dāng)_約為2%。
77、對(duì)于50歐姆微帶線，線間距是線寬的3倍時(shí)，近端串?dāng)_約為1%。
78、對(duì)于50歐姆帶狀線，線間距與線寬相等時(shí)，近端串?dāng)_約為6%。
79、對(duì)于50歐姆帶狀線，線間距是線寬的2倍時(shí)，近端串?dāng)_約為2%。
80、對(duì)于50歐姆帶狀線，線間距是線寬的3倍時(shí)，近端串?dāng)_約為0.5%。
九、第81-90條
81、一對(duì)50歐姆微帶傳輸線中，間距與線寬相等時(shí)，遠(yuǎn)端噪聲是4%Xtd/rt。如果線時(shí)延是1ns，上升時(shí)間是0.5ns，則遠(yuǎn)端噪聲是8%。
82、一對(duì)50歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的2 倍時(shí)，遠(yuǎn)端噪聲是2%Xtd/rt。如果線時(shí)延是1ns，上升時(shí)間是0.5ns，則遠(yuǎn)端噪聲是4%。
83、一對(duì)50歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的3 倍時(shí)，遠(yuǎn)端噪聲是1.5%Xtd/rt。如果線時(shí)延是1ns，上升時(shí)間是0.5ns，則遠(yuǎn)端噪聲是4%。
84、帶狀線或者完全嵌入式微帶線上沒(méi)有遠(yuǎn)端噪聲。
85、在50歐姆總線中，不管是帶狀線還是微帶線，要使最懷情況下的遠(yuǎn)端噪聲低于5%，就必須保持線間距大于線寬的2 倍。
86、在50歐姆總線中，線間距離等于線寬時(shí)，受害線上75%的竄擾來(lái)源于受害線兩邊鄰近的那兩根線。
87、在50歐姆總線中，線間距離等于線寬時(shí)，受害線上95%的竄擾來(lái)源于受害線兩邊距離最近的每邊各兩根線條。
88、在50歐姆總線中，線間距離是線寬的2倍時(shí)，受害線上100%的竄擾來(lái)源于受害線兩邊鄰近的那兩根線條。這是忽略與總線中其他所有線條間的耦合。
89、對(duì)于表面布線，加大相鄰信號(hào)線間的距離使之足以添加一個(gè)防護(hù)布線，串?dāng)_常常就會(huì)減小到一個(gè)可以接受的水平，而且這是沒(méi)必要增加防護(hù)布線。添加終端短接的防護(hù)布線可將串?dāng)_減小到50%。
90、對(duì)于帶狀線，使用防護(hù)線可以使串?dāng)_減小到不用防護(hù)線時(shí)的10%。
十、第91-100條
91、為了保持開(kāi)關(guān)噪聲在可以接受的水平，必須使互感小于2.5nhx上升時(shí)間（ns）。
92、對(duì)于受開(kāi)關(guān)噪聲限制的接插件或者封裝來(lái)說(shuō)，最大可用的時(shí)鐘頻率是250MHz/（NxLm）。其中，Lm是信號(hào)/返回路徑對(duì)之間的互感（nh），N是同時(shí)開(kāi)關(guān)的數(shù)量。
93、在LVDS 信號(hào)中，共模信號(hào)分量是比差分信號(hào)分量達(dá)2倍以上。
94、如果之間沒(méi)有耦合，差分對(duì)的差分阻抗是其中任意一個(gè)單端線阻抗的2倍。
95、一對(duì)50歐姆微帶線，只要其中一根線的電壓維持在高或低不變，則另一跟線的單端特性阻抗就與鄰近線的距離完全無(wú)關(guān)。
96、在緊耦合差分微帶線中，與線寬等于線間距時(shí)的耦合相比，線條離得很遠(yuǎn)而沒(méi)有耦合時(shí)，差分特性阻抗僅會(huì)降低10%左右。
97、對(duì)于寬邊耦合差分對(duì)，線條間的距離應(yīng)至少比線寬大，這么做的目的是為了獲得可高達(dá)100歐姆的差分阻抗。
98、FCC的B級(jí)要求是，在100MHz時(shí)，3M遠(yuǎn)處的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度要小于150UV/M.
99、鄰近的單端攻擊次線在強(qiáng)耦合差分對(duì)上產(chǎn)生的差分信號(hào)串?dāng)_比弱耦合差分對(duì)上的少30%。
100、鄰近的單端攻擊次線在強(qiáng)耦合差分對(duì)上產(chǎn)生的共模信號(hào)串?dāng)_比弱耦合差分對(duì)上的多30%。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論