信號完整性100條經(jīng)驗法則

隨著現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)突破1 GHz的壁壘，PCB板級設(shè)計和IC封裝設(shè)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(shè)計的人都可能會影響產(chǎn)品的性能。所有的設(shè)計師都應(yīng)該了解設(shè)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(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，我們就使用經(jīng)驗法則。

經(jīng)驗法則只是一種大概的近似估算，它的設(shè)計目的是以最小的工作量，以知覺為基礎(chǔ)找到一個快速的答案。經(jīng)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(shè)計的早期階段就對設(shè)計有較好的整體規(guī)劃。

下面是具有40年研究經(jīng)驗的國際大師Eric Bogatin給出的100條估計信號完整性效應(yīng)的經(jīng)驗法則。

1、信號上升時間約是時鐘周期的10%，即1/10x1/Fclock。例如100MHZ 使中的上升時間大約是1NS.

2、理想方波的N 次諧波的振幅約是時鐘電壓副值的2/(N 派)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(guān)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(rèn)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(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。

11、 在10MHZ 時，1 盎司銅線條就開始具有趨膚效應(yīng)。

12、 直徑為1IN 球面的電容約是2PF。

13、 硬幣般大小的一對平行板，板間填充空氣時，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，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，其估算值為1PF/IN,但實際的電容約是上述的兩倍，也就是2PF/IN。

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(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%的時間(S)是C/2。

17、 在典型電路板鐘，當(dāng)介質(zhì)厚度為10MIL 時，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。

21、 直徑為1IN 的圓環(huán)的單位長度電感約是25NH/IN 或1NH/MM。例如，如

果封裝引線是環(huán)形線的一部分，且長為0.5IN,則它的電感約是12NH。

22、 當(dāng)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(dāng)一對圓桿中心距與它們的自身長度相當(dāng)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33PHx 介質(zhì)厚度(MIL)。

26、 過孔的直徑越大，它的擴(kuò)散電感就越低。一個直徑為25MIL 過孔的擴(kuò)散電感約為50PH。

27、 如果有一個出沙孔區(qū)域，當(dāng)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2UM。所以，10MHZ 時，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，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(dāng)于螞蟻的速度，也就是1CM/S。

31、 信號在空氣中的速度約是12IN/NS。大多數(shù)聚合材料中的信號速度約為6IN/NS。

32、 大多數(shù)輾壓材料中，線延遲1/V 約是170PS/IN。

33、 信號的空間延伸等于上升時間X 速度，即RTx6IN/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/IN。

36、 FR4 中，所有50 歐姆傳輸線的單位長度電感約為8.3NH/IN。

37、 對于FR4 中的50 歐姆微帶線，其介質(zhì)厚度約是線寬的一半。

38、 對于FR4 中的50 歐姆帶狀線，其平面間的間隔時信號線線寬的2 倍。

39、 在遠(yuǎn)小于信號的返回時間之內(nèi)，傳輸線的阻抗就是特性阻抗。例如，當(dāng)驅(qū)動一段3IN 長的50 歐姆傳輸線時，所有上升時間短與1NS 的驅(qū)動源在沿線傳輸并發(fā)生上升跳變時間內(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延的關(guān)系為C=TD/Z0。

41、 一段傳輸線的總回路電感和時延的關(guān)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時信號線寬的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、 微帶線定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、 為了得到精確的集總電路近似，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(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)盡量短于上升時間(NS)的量值。

51、 遠(yuǎn)端容性負(fù)載會增加信號的上升時間。10-90 上升時間約是(100xC)PS,其中C 的單位是PF。

52、 如果突變的電容小于0.004XRT,則可能不會產(chǎn)生問題。

53、 50 歐姆傳輸線中拐角的電容(Ff)是線寬(MIL)的2 倍。

54、 容性突變會使50%點的時延約增加0.5XZ0XC。

55、 如果突變的電感(NH)小于上升時間(NS)的10 倍，則不會產(chǎn)生問題。

56、 對上升時間少于1NS 的信號，回路電感約為10NH 的軸向引腳電阻可能會產(chǎn)生較多的反射噪聲，這時可換成片式電阻。

57、 在50 歐姆系統(tǒng)中，需要用4PF 電容來補償10NH 的電感。

58、 1GHZ 時，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，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，特性阻抗以及信號速度與損耗和頻率無關(guān)。在常見的級互連中不存在由損耗引起的色散現(xiàn)象。

61、 -3DB 衰減相當(dāng)于初始信號功率減小到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，信號路徑與返回路徑的單位長度串聯(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)生的單位長度衰減約是36/(Wz0)DB/IN。

65、 FR4 的耗散因子約是0.02。

66、 1GHZ 時，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、 對于FR4 中的8MIL 寬、50 歐姆傳輸線，在1GHZ 時，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(其長是LEN)的帶寬約是30GHZ/LEN。

69、 FR4 互連線可以傳播的最短時間是10PS/INxLEN。

70、 如果互連線長度(IN)大于上升時間(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。

71、 一對50 歐姆微帶傳輸線中，線間距與線寬相等時，信號線間的耦合電容約占5%。

72、 一對50 歐姆微帶傳輸線中，線間距與線寬相等時，信號線間的耦合電感約占15%。

73、 對于1NS 的上升時間，F(xiàn)R4 中近端噪聲的飽和長度是6IN,它與上升時間成比例。

74、 一跟線的負(fù)載電容是一個常數(shù)，與附近其他線條的接近程度無關(guān)。

75、 對于50 歐姆微帶線，線間距與線寬相等時，近端串?dāng)_約為5%。

76、 對于50 歐姆微帶線，線間距是線寬的2 倍時，近端串?dāng)_約為2%。

77、 對于50 歐姆微帶線，線間距是線寬的3 倍時，近端串?dāng)_約為1%。

78、 對于50 歐姆帶狀線，線間距與線寬相等時，近端串?dāng)_約為6%。

79、 對于50 歐姆帶狀線，線間距是線寬的2 倍時，近端串?dāng)_約為2%。

80、 對于50 歐姆帶狀線，線間距是線寬的3 倍時，近端串?dāng)_約為0.5%。

81、 一對50 歐姆微帶傳輸線中，間距與線寬相等時，遠(yuǎn)端噪聲是4%Xtd/rt。如果線時延是1ns,上升時間時0.5ns，則遠(yuǎn)端噪聲是8%。

82、 一對50 歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的2 倍時，遠(yuǎn)端噪聲是2%Xtd/rt。如果線時延是1ns,上升時間時0.5ns，則遠(yuǎn)端噪聲是4%。

83、 一對50歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的3 倍時，遠(yuǎn)端噪聲是1.5%Xtd/rt。如果線時延是1ns,上升時間時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，受害線上75%的竄擾來源于受害線兩邊鄰近的那兩跟線。

87、 在50 歐姆總線中，線間距離等于線寬時，受害線上95%的竄擾來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，受害線上100%的竄擾來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、 對于表面布線，加大相鄰信號線間的距離使之足以添加一個防護(hù)布線，串?dāng)_常常就會減小到一個可以接受的水平，而且這是沒必要增加防護(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)線時的10%。

91、 為了保持開關(guān)噪聲在可以接受的水平，必須時互感小于2.5nhx 上升時間(ns)。

92、 對于受開關(guān)噪聲限制的接插件或者封裝來說，最大可用的時鐘頻率是

250MHZ/(NxLm)。其中，Lm 是信號/返回路徑對之間的互感(nh)，N 是同時開館的數(shù)量。

93、 在LVDS 信號中，共模信號分量是比差分信號分量達(dá)2 倍以上。

94、 如果之間沒有耦合，差分對的差分阻抗是其中任意一個單端線阻抗的2倍。

95、 一對50 歐姆微帶線，只要其中一跟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關(guān)。

96、 在緊耦合差分微帶線中，與線寬等于線間距時的耦合相比，線條離得很遠(yuǎn)而沒有耦合時，差分特性阻抗僅會降低10%左右。

97、 對于寬邊耦合差分對，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 歐姆的查分阻抗。

98、 FCC的B級要求是，在100MHZ 時，3M遠(yuǎn)處的遠(yuǎn)場強度要小于150UV/M.

99、 鄰近的單端攻擊次線在強耦合差分對上產(chǎn)生的差分信號串?dāng)_比弱耦合差分對上的少30%。

100、 鄰近的單端攻擊次線在強耦合差分對上產(chǎn)生的共模信號串?dāng)_比弱耦合差分對上的多30%。

Eric Bogatin，于1976年獲麻省理工大學(xué)物理學(xué)士學(xué)位，并于1980年獲亞利桑那大學(xué)物理碩士和博士學(xué)位。目前是GigaTest實驗室的首席技術(shù)主管。多年來，他在信號完整性領(lǐng)域，包括基本原理、測量技術(shù)和分析工具等方面舉辦過許多短期課程，培訓(xùn)過4000多工程師，在信號完整性、互連設(shè)計、封裝技術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表了100多篇技術(shù)論文、專欄文章和專著。