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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)的工程師進行技術(shù)上的溝通。當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。
一、第1-10條
1、信號上升時間約是時鐘周期的10%，即1/10x1/Fclock。例如100MHz時的上升時間大約是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次）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。
二、第11-20條
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、當電容器量板間的距離與板子的寬度相當時，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、如果對材料特性一無所知，只知道它是有機絕緣體，則認為它的介電常數(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、在典型電路板中，當介質(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、當一對圓桿中心距與它們的自身長度相當時，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，它的擴散電感就越低。一個直徑為25MIL過孔的擴散電感約為50PH。
27、如果有一個出沙孔區(qū)域，當空閑面積占到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根成反比。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，特性阻抗是一常數(shù)。
30、銅中電子的速度極慢，相當于螞蟻的速度，也就是1CM/S。
四、第31-40條
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，其平面間的間隔是信號線線寬的2倍。
39、在遠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歐姆恒定負載。
40、一段傳輸線的總電容和時延的關(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是信號線寬的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、微帶線頂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。
六、第51-60條
51、遠端容性負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，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。
七、第61-70條
61、-3DB衰減相當于初始信號功率減小到50%，初始電壓幅度減小到70%。
62、-20DB衰減相當于初始信號功率減小到1%，初始電壓幅度減小到10%。
63、當處于趨膚效應(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。
八、第71-80條
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、一根線的負載電容是一個常數(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，近端串擾約為5%。
76、對于50歐姆微帶線，線間距是線寬的2倍時，近端串擾約為2%。
77、對于50歐姆微帶線，線間距是線寬的3倍時，近端串擾約為1%。
78、對于50歐姆帶狀線，線間距與線寬相等時，近端串擾約為6%。
79、對于50歐姆帶狀線，線間距是線寬的2倍時，近端串擾約為2%。
80、對于50歐姆帶狀線，線間距是線寬的3倍時，近端串擾約為0.5%。
九、第81-90條
81、一對50歐姆微帶傳輸線中，間距與線寬相等時，遠端噪聲是4%Xtd/rt。如果線時延是1ns，上升時間是0.5ns，則遠端噪聲是8%。
82、一對50歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的2 倍時，遠端噪聲是2%Xtd/rt。如果線時延是1ns，上升時間是0.5ns，則遠端噪聲是4%。
83、一對50歐姆微帶傳輸線中，間距是線寬的3 倍時，遠端噪聲是1.5%Xtd/rt。如果線時延是1ns，上升時間是0.5ns，則遠端噪聲是4%。
84、帶狀線或者完全嵌入式微帶線上沒有遠端噪聲。
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根線。
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布線，串擾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布線。添加終端短接的防護布線可將串擾減小到50%。
90、對于帶狀線，使用防護線可以使串擾減小到不用防護線時的10%。
十、第91-100條
91、為了保持開關(guān)噪聲在可以接受的水平，必須使互感小于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是同時開關(guān)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100歐姆的差分阻抗。
98、FCC的B級要求是，在100MHz時，3M遠處的遠場強度要小于150UV/M.
99、鄰近的單端攻擊次線在強耦合差分對上產(chǎn)生的差分信號串擾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)生的共模信號串擾比弱耦合差分對上的多30%。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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