《電子技術(shù)應(yīng)用》
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工程師總結(jié)的估計(jì)信號(hào)完整性效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)法則
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

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,。在速度和精度的權(quán)衡之間,經(jīng)驗(yàn)法則傾向于速度,,但它并不是很準(zhǔn)確,。

當(dāng)然,不可以盲目的使用經(jīng)驗(yàn)法則,,它必須基于對(duì)基本理論的深刻了解和良好的工程判斷能力,。
當(dāng)精確度很重要時(shí),例如在設(shè)計(jì)中某個(gè)數(shù)值偏離百分之幾就要付出百萬(wàn)美元的代價(jià),,就必須使用驗(yàn)證過(guò)的數(shù)值仿真工具,。
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 使中的上升時(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 派)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,。
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,、 如果問(wèn)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、 在典型電路板鐘,,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。
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跟成反比,。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),,特性阻抗時(shí)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(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,,其平面間的間隔時(shí)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。
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時(shí)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,、 微帶線定部的阻焊厚度會(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,。
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。
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,。
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,、 一跟線的負(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%,。
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)間時(shí)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)間時(shí)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)間時(shí)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跟線,。
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%,。
91,、 為了保持開(kāi)關(guān)噪聲在可以接受的水平,必須時(shí)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)館的數(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(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 歐姆的查分阻抗,。
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%,。

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