电子说
信号完整性的方向,很多时候会应用各种公式估算风险,分类别进行整理,算是抛砖引玉。
本文思维导图如下:
01
阻抗部分
RLC 串联电路模型的阻抗为:
由阻抗公式,想到的是理想电容器&电感器的公式:
由阻抗公式, 可以推出RLC 电路阻抗最低的频率称为自谐振频率(SRF):
其实这里面还有个并联谐振(反谐振)的概念,这里不做展开。
传输线的零阶模型状态下:
在这个阻抗计算公式里,单位长度电容取值为3.3 pF/in(后面会估算出3.5 pF/in),介电常数为4,计算出传输线的瞬时阻抗:
均匀传输线情况下,特性阻抗和瞬时阻抗相同。
这也是从侧面验证50Ω阻抗,当然传输线默认值选择50Ω还有损耗最优值等其他原因。
实际工作中,50欧姆的这个公式应用的比较少,可以了解下IPC推荐的近似公式。这个公式可以看出阻抗和哪些因素有关。
微带线,IPC 推荐的通用近似公式为:
带状线,推荐的通用近似公式为:
02
电容部分
在实际PCB版图设计中,电源平面和地平面一般是相邻的,以此估算出两个平面之间每平方英寸面积的电容:
以此公式推算,电源与地平面之间的电介质厚度为10mil的话,平面之间的电容大约为100 pF/in^2。
球面电容,连接器多个引脚之间的电容可以用下列公式估算:
关于单位长度电容,这里分微带线和带状线情况:
微带线的单位长度电容近似为:
带状线的单位长度电容近似为:
经验值:FR4板上50Ω传输线的单位长度电容约为3.5pF/in。
讲到单位长度电容,想到单端传输线的特性阻抗和时延由下式给出:
时域&频域电容电感公式:
电容器是否有电流通过,取决于两端电压的改变。
电感器两端的电压与流经电流的变化快慢有关。
注意时域与频域公式的区别。
过孔寄生电容的近似公式:
过孔或信号线回路电感近似公式:
过孔除了寄生电容和电感的影响,还要考虑残桩。有个比较严格的公式可以参考300/BR(BR代表的是比特率,这个需要注意)。
03
损耗部分
一般版图设计,高速差分线一般会布局于内层,带状线引起的单位衰减估算公式&介质引起的单位长度衰减的估算公式:
以上衰减的估算公式要和产品要求的损耗标准相区别:
高频情况下,导体损耗占得比重较小,插入损耗可以用来评估和度量链路情况:
04
集肤深度
集肤深度公式:
铜的电导率为5.6 x 10^7 S/m,相对磁导率为1,集肤深度为:
05
反射部分
反射系数:
入射系数:
06
信号速度部分
信号的传播速度公式:
Note:信号传播速度和电子速度(1cm/s)的不同。
信号传播速度取决于周围包裹的材料和电磁转换的变化速度。这个信号速度可以反推延时,实际工作中实用性比较强。
07
差分部分
单端转差分公式:
SDD11元素可以通过下式得到:
SDD21元素可以通过下式得到:
Sigrity可以直接仿差分信号线,ADS的S参数查看器可以直接查看。
08
时序部分
晶体管沟道的长短,影响电子与空穴移动的长短,进而影响开关速度的快慢,影响时钟周期的长短。
时钟频率和数据率是有关系的,这取决于编码方式。PCIe,SATA和千兆以太网采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)。NRZ信令方案,该方案在每个时钟周期编码2比特,基频是数据率的一半,这个基频时钟称为奈奎斯特频率。
需要注意的是,PAM-4信号, 1个符号传输2bit数据。
当上升边的单位为ns时,带宽的单位为GHz。ns对应GHz,MHz对应us,可以试着记一下这种对应关系,方便实际工作中对信号带宽的估算。
1/10,0.35或者是0.5之类的情况只是估算,工作中需要根据实际情况来衡量。
09
电源部分
电源完整性中一个最重要的概念就是PDN阻抗。在电源路径设计过程中,就是让电源分配网络阻抗低于目标阻抗。
目标阻抗的估算公式:
电源完整性部分,除了PDN,很大一部分就是关于去耦电容。去耦电容至少可以提供微秒级别的时间,直到电源稳压器提供足够的电流。这个地方需要了解的是,实际版图设计中,多层电路板,电源和地层相邻,存在平面电容,但是这个电容不足以对电源起到明显的作用,更多是提供低电感路径(减小自感,增大互感)。
其实,关于电感部分,公式很多,这里了解两个值,一个是85 nH ,还有一个是25 nH。
85nH代表一个圆回路电感。既然是圆,85nH/3.14 in=25 nH/in,代表单位长度的回路电感约为25nH/in。
讲到电感,提一句:为什么很多焊盘周围打了多个过孔?重要的作用就是减小电感。过孔间距和过孔长度的关系不做延伸。
九九归一,其实公式只是应用的部分,也是信号完整性不可缺少的部分。需要注意的是,公式中应用的场景和原理搞清楚,不能乱用。
审核编辑 :李倩
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