信号完整性100条经验法则

信号完整性是高速电路设计中的关键考虑因素，随着电子设备的工作频率不断提升，信号完整性问题变得越来越重要。本篇文章总结了100条关于信号完整性的经验法则，这些规则可以帮助设计者理解并解决高速电路中的信号质量问题。 1. 信号上升时间（tr）与时钟周期的关系：tr ≈ 1/10xFclock。例如，在100MHz系统中，上升时间大约为1ns。这一法则用于估算信号的快速变化部分。 2. 谐波振幅与时钟幅度的关系：N次谐波的幅度 ≈ (2/Nπ) * Vp。这意味着，一个1V的时钟信号，第一次谐波约为0.6V，第三次谐波约为0.2V。这有助于评估信号的非理想行为。 3. 带宽（BW）与上升时间的关系：BW = 0.35/RT。如上升时间为1ns，带宽则为350MHz。这用于估计信号的频率成分。 4. 信号带宽与时钟频率：若无上升时间数据，可以假定信号带宽约为时钟频率的5倍。 5. LC谐振频率计算：f = 5GHz/sqrt(LC)，其中L为电感，单位为nH，C为电容，单位为pF。此公式用于设计滤波器或分析谐振电路。 6. 在特定频率范围内，某些电阻元件可近似视为理想电阻：轴向引脚电阻在400MHz内，SMT0603电阻在2GHz内。 7. 电阻的等效串联电感（ESL）：轴向引脚电阻的ESL约为8nH，SMT电阻的ESL约为1.5nH。这影响信号的高频响应。 8. 导线电阻计算：1mil直径的近键合线，单位长度电阻约为1欧姆/英寸。 9. 线径与电阻率：24AWG电线直径约为20mil，电阻率为25毫欧姆/英尺。 10. 方块电阻率：1盎司铜层的方块电阻约为0.5毫欧姆/平方。 11. 趋肤效应的起点：10MHz时，1盎司铜线开始表现出趋肤效应。 12. 球形电容估算：直径1英寸的球面电容约为2pF。 13. 平行板电容：硬币大小的平行板电容约为1pF，当板间距与板宽相当，边缘效应显著，实际电容可能是理论值的两倍。 14. 有机绝缘体的介电常数：未知材料时，可假设为4。 15. 去耦电容的电荷时间常数：1W功率芯片，去耦电容C能在电压下降小于5%的时间S内提供电荷，即S=C/2。 16. 耦合电容：电源和地平面间的耦合电容约为100pF/平方英寸，且与介质厚度成反比。 17. 有效介电常数：50欧姆微带线，若体介电常数为4，有效介电常数约为3。 18. 圆导线局部电感：1mil直径的圆导线，每英寸局部电感约为25nH。 19. 环形线圈电感：10mil厚线条制成的1英寸圆环，电感约为85nH。 20. 单位长度电感：1英寸圆环的单位长度电感约为25nH/英寸。 21. 局部互感：圆杆中心距小于各自长度的10%，局部互感约为各自互感的50%。 22. 当中心距与长度相当，局部互感仅为各自互感的10%。 23. SMT电容的回路电感：约为2nH，降低到1nH以下需要特殊设计。 24. 平面对的回路电感：单位面积为33pH×介质厚度（MIL）。 25. 扩散电感与过孔直径：大直径过孔有更低的扩散电感，25mil直径过孔的扩散电感约50pH。 26. 回路电感与空闲面积：50%空闲面积会增加25%的回路电感。 27. 铜的趋肤深度与频率关系：1GHz时趋肤深度约2um，10MHz时为20um。 28. 50欧姆传输线的单位长度电感在50MHz以上趋于常数，说明特性阻抗在此频率以上稳定。 29. 信号速度：空气中的信号速度约为12in/ns，聚合物材料中约为6in/ns。 30. 线延迟与频率：在辗压材料中，1/V的线延迟约为170ps/in。 31. 信号的空间延伸：RTx6in/ns，这是信号传播的距离。 32. 特性阻抗与单位长度电容：两者成反比关系。 33. 50欧姆FR4传输线：单位长度电容约为3.3pF/in，电感约为8.3nH/in。 34. 50欧姆微带线的介质厚度：约为线宽的一半。 35. 对于FR4材料，以上规则适用于各种50欧姆传输线设计。 这些经验法则提供了一种简化的方法来理解和预测高速电路中的信号完整性问题，对于设计者来说是非常实用的指导原则。然而，为了获得最佳性能，设计师还需要结合具体设计条件和现代仿真工具进行深入分析。