信号完整性-经验法则100条

sunfloweronly · 发表于 2024-8-15 11:11

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本帖最后由 sunfloweronly 于 2024-8-15 11:11 编辑

1.信号的上升边约为时钟周期的 10%，即 1/10x1/F.例如100MHz时钟的上升边约为1 ns。
2.理想方波n次谐波的幅度约为时钟电压的2/(nπ)。例如,1V时钟信号的1次谐波幅度约为0.6V,3次谐波的幅度约为0.2V。
3.信号的带宽和上升边的关系为BW=0.35/RT。例如，如果上升边为1ns,那么带宽为 350 MHz。如果互连的带宽为3GHz，则它可传输的最短上升边约为0.1ns。
4.如果不知道上升边,则可认为信号带宽约为时钟频率的5倍。例如,时钟频率是1GHz则信号带宽约为5GHz。
5.LC电路的谐振频率是5GHz/√LC.L的单位为nH,C的单位为F。例如,封装引线和它的返回路径之间的回路自感是7nH,它的电容约为1pF,其振铃的频率约为2GHz。
6.在400 MHz内,轴向引脚电阻器可以看成理想电阻器:在2GHz内,SMT0603 电阻器可看成理想电阻器。
7.轴向引脚电阻器的ESL(引线电感)约为8nH,SMT电阻器的ESL约为2nH。
8.直径为1mil 的金键合线的单位长度电阻约为1Ohm/in。例如,50mil 长的金键合线的电阻约为50 mOhm。
9.24AWG导线的直径约为20mil，电阻率约为25mOhm/ft。
10.1盎司铜线条的方块电阻率约为0.5mOhm/sq(方块)。例如,5mil宽且1in长的线条约有200个方块，其串联电阻是200x0.5=100mΩ=0.1Ω。
11.在10MHz时,1盎司铜线条就开始具有趋肤效应。
12.直径为1in球面的电容约为2pF。例如,吊在电路板外几英寸长的电缆与地板之间的电容约为2 pF。
13.硬币般大小的一对平行板，当板间填充空气时，它们之间的电容约为1pF。
14.当电容器两板之间的距离与板的宽度相当时,边缘场产生的电容与平行板场产生的电容相等。例如，在估算线宽为10mil且介质厚度为10mil的微带线平行板电容时，其估算值为1pF/in，但实际的电容约为上述的两倍，即2pF/in。
15.如果我们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。
16.一个功耗为1W的芯片,由去耦电容(单位为F)提供电荷,使电压下沉小于5%的时间(单位为s)是电容容值的一半。例如，如果去耦电容为10nF,则它只能提供5ns的去耦时间。如果需要10us的去耦时间，就要使用20uF的电容。
17.在典型电路板中,当介质厚度为1mil时,电源和地平面之间的可用电容为1nF/In^2,并且它与介质厚度成反比。例如，介质厚度为10mil的电路板，可以为ASIC去耦的面积
可能只有4in^2。电容将为4in^2x1 nF/in^2/10 =0.4 nF,提供的去耦时间可达0.2ns。
18.如果50Ω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 的圆导线的局部自感约为25nH/in或1nH/mm。例如,1.5 mm 长的过孔的局部自感约为1.5 nH。
20.由10mil厚的线条制成直径为1in的一个圆环线圈,它的大小相当于拇指和食指围在一起，其回路自感约为85nH。
21.直径为1in的圆环的单位长度电感约为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，则它的电感约为12 nH。
22.当一对圆杆的中心距离小于它们各自长度的10%时,局部互感约为各自的局部自感的50%。例如，如果有两条键合线，长为1mm，中心距为0.1mm，则各自的局部自感约为1nH，而它们的局部互感约为0.5 nH。
23.当一对圆杆的中心距与它们的自身长度相当时,它们之间的局部互感比各自局部自感的 10%还要少。例如，如果长为25mil 的平行过孔的中心距大于25mil，则它们之间几乎没有感性耦合。
24.SMT电容器(包括表层走线、过孔及电容器本身)的回路电感约为2nH,要将此数值降至1nH 以下，还需要做许多工作。
25.平面对上每方块的回路电感为33 pHx介质厚度(mil)。例如，如果介质厚2mil,则平面之间的每方块回路电感是 66 PH。
26.如果平面对上出砂孔区域的空闲面积占到50%，就会使平面对之间的回路电感增加50%。
27.铜的集肤深度与频率的平方根成反比,当频率为1GHz时,其为2μm，所以10MHz时铜的集肤深度是20μm。
28.在50Ω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个常量。这说明在频率高于50MHz时，特性阻抗是一个常量.
29.铜中电子的速度极慢，相当于蚂蚁的速度，即1cm/s。
30.信号在空气中的速度约为12in/ns。大多数聚合材料中的信号速度约为6in/ns。
31.大多数叠层材料中，线延迟1/v约为170ps/in。
32.信号的空间延伸等于上升边x速度，即RTx6in/ns。例如,假设上升边为0.5ns，当信号在电路板上传播时，其前沿的空间延伸是3in。
33.传输线的特性阻抗与单位长度电容成反比。
34.FR4中,所有50Ω传输线的单位长度电容约为3.3pF/in。例如，BGA引线设计成50Ω，当长为0.5in 时，它的电容约为1.7pF.
35.FR4中,所有50传输线的单位长度电感约为8.3nH/in。例如，如果连接器的阻抗为50Ω且长度为0.5in，则信号-返回路径对之间的回路电感约为4nH。
36.对于FR4中的50Ω微带线,其介质厚度约为线宽的一半。例如，如果线宽为10mil则介质厚度约为5 mil。
37.对于FR4中的50Ω带状线，其平面之间的间隔是信号线宽的两倍。例如，如果线宽为10mil，则两个平面之间的间隔为 20 mil。
38.在远小于信号的往返时间之内,传输线的阻抗就是特性阻抗。例如，当驱动一段3in长的50Ω传输线时,所有上升边短于1ns的驱动器在沿线传输并发生上升跳变的时间内，所感受到的就是50Ω恒定负载。
39.一段传输线的总电容和时延的关系为C=T/Z。例如，如果传输线的T为1ns,特性阻抗为50Ω,则信号路径和返回路径之间的电容为20pF。
40.一段传输线的总回路电感和时延的关系为L=TxZ。例如，如果传输线的T为1 ns，特性阻抗是50Ω,则信号路径和返回路径之间的回路电感为50 nH。
41.如果50Ω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%。
42.如果50Ω微带线中返回路径的宽度至少为信号线宽的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%。
43.线条的厚度可以影响特性阻抗,厚度每增加1mil,阻抗就减少2Ω。例如,0.5盎司铜线与1盎司铜线相比，厚度增加了0.7mil,线条阻抗约减少了1Ω。
44.微带线顶层的阻焊层厚度会使特性阻抗减小,厚度每增加1mil,阻抗就会减少2Ω.例如.0.5 mil阻焊层会使特性阻抗约减小1Ω。
45.为了得到准确的集总电路近似,在每个上升边的空间延伸里至少需要有3.5个LC节.例如，如果上升边为1ns,在FR4中的空间延伸为6in,那么为了达到准确的近似,在每6in内至少需要3.5个LC节，即每隔2in就有1节。
46.单节LC模型的带宽是0.1/T ，例如，假设传输线的时延为1ns,如果用单节LC电路模拟，则带宽可达100MHz.47.如果传输线时延比信号上升边的 20%还短，就不需要对传输线进行端接。
48.在50Ω系统中,5Ω的阻抗变化引起的反射系数是5%。
49.保持所有突变的量值(单位为in)尽量短于上升边的量值(单位为ns)。例如，如果上升边为0.5ns,则应保持所有阻抗突变长度小于0.5in。这样设计过孔区域的颈状长度，就是可接受的。
50.远端的容性负载会增加信号的上升边。10%~90%上升边约为(100C)ps，其中C的单位为pF。例如，如果接收器的输入门电容的典型值是2pF,则RC制约的上升边约为200 ps。
51.如果突变的电容小于0.004xRT,则可能不会产生问题。例如，如果上升边为1ns,则突变电容应少于0.004 nF，即4pF。
52.50Ω传输线中拐角的电容(单位为F)是线宽(单位为mil)的2倍。例如，50Ω线条的线宽为10mil,则90°拐角处的电容是20fF。当上升边为0.02/0.004=5 ps时，它可能会引起反射问题。
53.容性突变会使50%点的时延累加0.5ZC。例如，如果50Ω传输线的电容是1 pF，则累加的时延将是 25 ps。
54.如果突变的电感(单位为nH)小于上升边(单位为ns)的10倍,则不会产生问题。例如，如果上升边为1ns，则可接受的最大感性突变约为10nH。
55.对上升边小于1ns的信号，回路电感约为10nH的轴向引脚电阻器可能会产生较多的反射噪声，这时可换成表面贴片式电阻器。
56.在50Ω系统中，需要用4pF电容去补偿10nH电感.
57.1 GHz时,1盎司铜线的电阻约为其在直流状态下电阻的 15 倍。
58.1GHz时,8mil宽线条的电阻产生的衰减与介质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。
59.对于3mil或更宽的线条而言,低损耗区全发生在10MHz频率以上。在低损耗区，特性阻抗及信号速度与损耗和频率无关。在常见的板级互连中不存在由损耗引起的色散现象。
60.-3 dB 衰减相当于初始功率减小到50%，初始电压幅度减小到 70%。
61.-20 dB 衰减相当于初始功率减小到1%，初始电压幅度减小到 10%。
62.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电阻约为(8/o)x√f ,其中线宽w的单位为mil,频率f的单位为GHz。例如，10mil宽的线条，其串联电阻约为0.8Ω/in，并且与频率的平方根成正比。
63.50Ω的传输线中,由导线产生的单位长度衰减约为36/(wZ。)，其单位为dB/in。例如，如果50Ω传输线的线宽为10mil,则衰减为36/(10x50)=0.07 dB/in。
64.FR4 的耗散因子约为0.02。
65.1GHz时，FR4中由介质材料产生的衰减约为0.1dB/in,并随频率线性增加。
66.对于FR4中的8mil 宽的50 Ω传输线,在1GHz时,其导线损耗与介质材料损耗相等。
67.受耗散因子的制约，FR4互连(其长度Len的单位为in)的带宽约为30GHz/Len。例如，50Ω的10in长的传输线的带宽为3GHz。
68.FR4互连可以传播的最短上升边为(10ps/in)xLen。例如,50Ω的FR4线长为10in时，它可以传播的信号的上升边最小为100ps。
69.如果互连长度(单位为in)大于上升边(单位为ns)的50倍,则FR4介质板中由损耗引起的上升边退化是不容忽视的。例如，如果上升边是200ps，则当线长大于10 in 时，必须考虑损耗。
70.一对 50 Ω微带传输线中,线间距与线宽相等时，信号线之间的耦合电容约占5%。
71.一对 50Ω微带传输线中,线间距与线宽相等时,信号线之间的耦合电感约占15%。
72.对于1ns的上升边，FR4中近端噪声的饱和长度是3in,它与上升边成比例。例如，如果上升边为 0.5 ns，则饱和长度为 1.5 in。
73.一条线的负载电容是一个常量，与附近其他线条的接近程度无关。
74.对于50Ω微带线,线间距与线宽相等时，近端串扰约为5%。
75.对于50Ω微带线，线间距是线宽的2倍时，近端串扰约为2%。
76.对于50Ω微带线,线间距是线宽的3倍时，近端串扰约为1%。
77.对于50Ω带状线,线间距与线宽相等时，近端串扰约为6%。
78.对于50Ω带状线，线间距是线宽的2倍时，近端串扰约为2%。
79.对于50Ω带状线,线间距是线宽的3倍时，近端串扰约为0.5%。
80.一对 50Ω微带传输线中,间距与线宽相等时,远端噪声为4%xT/RT。如果线延迟为1ns，上升边为0.5 ns，则远端噪声为 8%。
81.一对 50Ω微带传输线中,间距是线宽的2倍时,远端噪声为2%xT/RT。如果线延迟为1 ns，上升边为0.5 ns，则远端噪声为 4%。
82.一对 50Ω的微带传输线中,间距是线宽的3倍时,远端噪声为1.5%xT/RT。如果线延迟为1 ns，上升边为0.5 ns，则远端噪声为 3%。
83.带状线或完全嵌人式微带线上没有远端噪声。
84.在50Ω总线中,无论是带状线还是微带线,要使最坏情况下的近端噪声低于5%，就必须保持线间距大于线宽的2倍。
85.在50Ω总线中,线间距离等于线宽时，受害线上 75%的串扰来源于受害线两边相邻的两条线。
86.在50Ω总线中,线间距离等于线宽时，受害线上95%的串扰来源于受害线两边距离最近的每边各两条线。
87.在50Ω总线中,线间距离是线宽的2倍时,受害线上100%的串扰来源于受害线两边相邻的两条线。这时可忽略它与总线中其他所有线之间的耦合。
88.对于表层走线，加大相邻信号线之间的距离,使之足以添加一个防护布线,常常可将串扰减小到一个可接受的水平，这时并不一定要增加这条防护布线。如果添加短接的防护布线，则可将串扰减小约50%。
89.对于带状线，使用防护布线可以使串扰减小到不用防护布线时的10%。
90.为了保持开关噪声在可接受的水平，必须使互感小于2.5nHx上升边(单位为ns)。例如，如果上升边为0.5 ns,那么由于两对信号-返回路径对之间的耦合产生了开关噪声串扰，为使此值保持在一个可接受的水平，互感应该小于1.3 nH。
91.对于受开关噪声限制的连接器或封装而言,可用的最大时钟频率为250MHz/(nL),其中L是信号-返回路径对之间的互感(单位为nH),"是同时开关线的数量。例如，如果4个引脚共用一个返回路径，每对引脚之间的互感约为1nH，则连接器的最大可用时钟频率为250MH4≈60MHz。
92.在LVDS信号中，共模信号分量比差分信号分量大2倍以上。
93.如果两条单端线之间没有耦合,则差分对的差分阻抗是其中任意一个单端线阻抗的2 倍。
94.一对 50Ω微带线，只要其中一条线的电压维持在高或低不变,则另一条线的单端特性阻抗就与相邻线的邻近程度完全无关。

95.紧耦合差分微带线中的线宽等于线间距。与线条离得很远而没有耦合相比，差分特性阻抗仅会降低10%左右。
96.对于宽边耦合差分对，线间距应至少比线宽大，这么做的目的是为了获得可高达100Ω的差分阻抗。
97.FCC的B级要求是，在100MHz时,3m远处的远场强度要小于150uV/m。
98.在无屏蔽的双绞线电缆上，只要有大约3μA的共模电流，就无法通过联邦通信委员会(FCC)的B级电磁兼容测试认证。
99.邻近的单端攻击线在紧耦合差分对上产生的差分信号串扰比弱耦合差分对上的少 30%。
100.邻近的单端攻击线在紧耦合差分对上产生的共模信号串扰比弱合差分对上的多 30%。