信號完整性問題最小化的100條通用設計原則

具有40年研究經驗的國際大師Eric Bogatin給出的:100條使信號完整性問題最小化的通用
No.1 網絡信號質量問題最小化
策略---保持信號在整個路徑中感受到的瞬態阻抗不變。
設計原則:
1. 使用可控之阻抗佈線。
2. 理想情況下,所有的信號應使用低電平平面作爲參考平面。
3. 若使用不同的電壓平面作爲信號的參考平面,則這些平面之間必須是緊耦合。爲此,用最薄的介質材料將不同的電壓平面隔開,幷使用多個傳感量小的去耦合電容。
4. 使用2D場求解工具計算給定特性阻抗的疊層設計規則,其中包括阻焊層和佈線厚度的影響。
5. 在點到點的拓撲結構中,無論單向還是雙向,都要使用串聯端接策略。
6. 在多點總線中要端接總線上的所有節點。
7. 保持樁線的時延小於最快信號的上升時間的20%。
8. 終端電阻應儘可能接近封裝焊盤。
9. 如果10pF電容的影響不要緊,就不用擔心拐點的影響。
10. 每個信號都必須有返回路徑,它位於信號路徑的下方,其寬度至少是信號線寬的三倍。
11. 即使信號路徑佈線繞道進行,也不要跨越返回路徑上的突變處。
12. 避免在信號路徑中使用電氣性能變化的佈線。
13. 保持非均勻區域儘量短。
14. 在上升時間小於1 ns的系統中,不要使用軸向引腳電阻,應使用SMT電阻幷使其迴路電感最少。
15. 當上升時間小於150 ps時,儘量減小終端SMT電阻的迴路電感,或者採用集成電阻以及嵌入式電阻。
16. 過孔通常呈現容性,減少捕獲焊盤和增加反焊盤出砂孔的直徑可以減少過孔的影響。
17. 可以考慮給低成本線接頭的焊盤添加一個小電容來補償它的高電感。
18. 在佈線時,使所有差分對的差分阻抗爲一常量。
19. 在差分對中儘量避免不對稱性,所有佈線都應該如此。
20. 如果差分對中的線距發生改變,也應該調整線寬來保持差分阻抗不變。
21. 如果在差分對的一根線上添加一根時延線,則應添加到佈線的起始端附近,幷且要將這一區域內的線條間進行去耦合。
22. 只要能保持差分阻抗不變,我們可以改變差分對的耦合狀態。
23. 一般來說,在實際中應儘量使差分對緊耦合。
24. 在決定到底採用邊緣耦合差分還是側向耦合差分對時,應考慮佈線的密度 電路板的厚度等制約條件,以及銷售廠家對疊層厚度的控制能力。如果做得比較好,他們是等效的。
25. 對於所有板級差分對,平面上存在很大的返回電流,所以要儘量避免返回路徑中的所有突變。如果有突變,對差分對中的每條線要做同樣的處理。
26. 如果接收器的共模抑制比很低,就要考慮端接共模信號。端接共模信號幷不能消除共模信號,只是減少振鈴。
27. 如果損耗很重要,應儘量用寬的信號線,不要使用小於5mil的佈線。
28. 如果損耗很重要,應使佈線儘量短。
29. 如果損耗很重要,儘量做到使容性突變最小化。
30. 如果損耗很重要,實際信號過孔使其具有50 ohm的阻抗,這樣做意味着可以儘可能減少桶壁尺寸 減小捕獲焊盤尺寸 增加反焊盤出砂孔德尺寸。
31. 如果損耗很重要,儘可能使用低損耗因子的疊層。
32. 如果損耗很重要,考慮採用預加重合均衡化措施。
 
No.2串擾最小化
策略---減少信號路徑和返回路徑間的互容和互感。
設計原則:
33. 對於微帶線或帶狀線來說,保持相鄰信號路徑的間距至少爲線寬的2倍。
34. 使返回路徑中的信號可能經過的突變最小化。
35. 如果在返回路徑中必須跨越間隙,則只能使用差分對。決不能用離得很近的單端信號佈線跨越間隙。
36. 對於表面線條來說,使耦合長度儘可能短,幷使用厚的阻焊層來減少遠程串擾。
37. 若遠程串擾很嚴重,在表面線條上添加一層厚的疊層,使其成爲嵌入式微帶線。
38. 對於遠程串擾很嚴重的耦合長度很長的傳輸線,採用帶狀線佈線。
39. 若不能使耦合長度短於飽和長度,則不用考慮減少耦合長度,因爲減少耦合長度對於近端串擾沒有任何改善。
40. 儘可能使用介電常數最低的疊層介質材料,這樣做可以在給定特性阻抗的情況下,使得信號路徑與返回路徑間的介質厚度保持最小。
41. 在緊耦合微帶線總線中,使線間距至少在線寬的2倍以上,或者把對時序敏感的信號線布成帶狀線,這樣可以減少確定性抖動。
42. 若要求隔離度超過-60dB,應使用帶有防護佈線的帶狀線。
43. 一般使用2D場求解工具來估計是否需要使用防護佈線。
44. 若使用防護佈線,儘量使其達到滿足要求的寬度,幷用過孔使防護線與返回路徑短接。如果允許,可以沿着防護線增加一些短接過孔,這些過孔幷不像兩端的過孔那樣重要,但有一定改善。
45. 使封裝或接插件的返回路徑儘量短,這樣可以減小地彈。
46. 使用片級封裝而不使用更大的封裝。
47. 使電源平面和返回平面儘量接近,可減少電源返回路徑的地彈噪聲。
48. 使信號路徑與返回路徑儘量接近,幷同時與系統阻抗相匹配,可以減少信號路徑中的地彈。
49. 避免在接插件和封裝中使用公用返回路徑。
50. 當在封裝或線接頭中分配引線時,應把最短的引線作爲地路徑,並使電源引線和地引線均勻分佈在信號線的周圍,或者使其儘量接近載有大量開關電流的信號線。
51. 所有空引線或引腳都應接地。
52. 如果每個電阻都沒有獨立的返回路徑,應避免使用單列直插封裝電阻排。
53. 檢查鍍層以確認阻焊盤在過孔面上不存在交疊;在電源和地平面對應的出砂孔之間都留有足夠的空間。
54. 如果信號改變參考平面,則參考平面應儘量靠近信號平面。如果使用去耦電容器來減少返回路徑的阻抗,它的電容器幷不時最重要的,應選取和設計具有最低迴路電感的電容纔是關鍵。
55. 如果有大量信號線切換參考平面,就要使這些信號線的過孔彼此之間儘量遠離,而不是使其集中在同一地方。
56. 如果有信號切換參考平面,幷且這些平面間具有相同電壓,則儘量將信號線過孔與返回路徑過孔數量放置在一起。
 
No.3減小軌道塌陷
策略---減小電源分配網絡的阻抗。
設計原則:
57. 減小電源和地路徑間的迴路電感。
58. 使電源平面和地平面相鄰幷儘量靠近。
59. 在平面間使用介電常數儘量高的介質材料使平面間的阻抗最低。
60. 儘量使用多個成對的電源平面和地平面。
61. 使同向電流相隔儘量遠,而反向電流相隔儘量近。
62. 在實際應用中,使電源過孔和地平面過孔儘量靠近。要使它們的間隔至少與過孔的長度相當。
63. 應將電源平面與地平面儘可能靠近去耦電容所在的表面處。
64. 對相同的電源或地焊盤使用多個過孔,但要使過孔間距儘量遠。
65. 在電源平面或地平面上佈線時,應使過孔的直徑儘量大。
66. 在電源焊盤和地焊盤上使用雙鍵合線可以減少鍵合線的迴路電感。
67. 從芯片內部引出儘可能多的電源和地引線。
68. 在芯片封裝時引出儘可能多的電源和地引腳。
69. 使用儘可能短的片內互聯方法,例如倒裝芯片而不是鍵合線。
70. 封裝的引線儘可能短,例如應使用片級封裝而不是QFP封裝。
71. 使去耦電容焊盤間的佈線和過孔儘可能地短和寬。
72. 在低頻時使用一定量的去耦電容來代替穩壓器件。
73. 在高頻時使用一定量的去耦電容來抵消等效電感。
74. 使用儘可能小的去耦電容,幷儘量減小電容焊盤上與電源和地平面相連的互連線的長度。
75. 在片子上使用儘可能多的去耦電容。
76. 在封裝中應使用儘可能多的低電感去耦電容。
77. 在I/O接口設計中使用差分對。
 
No.4減小電磁干擾(EMI)
策略---減小驅動共模電流的電壓;增加共模電流路徑的阻抗;屏蔽濾波是解決問題的快速方案。
設計原則:
78. 減小地彈。
79. 使所有佈線與板子邊緣的距離應至少爲線寬的5倍。
80. 採用帶狀佈線。
81. 應將告訴或大電流器件放在離I/O接口儘可能遠的地方。
82. 在芯片附近放置去耦電容來減小平面中高頻電流分量的擴頻效應。
83. 使電源平面和地平面相鄰幷儘可能接近。
84. 儘可能使用更多的電源平面和地平面。
85. 當使用多個電源平面和地平面對時,在電源平面中修凹壁幷在地平面的邊沿處打斷接過孔。
86. 儘量將地平面作爲表面層。
87. 瞭解所有封裝的諧振頻率,當它與時鐘頻率的諧波發生重疊時就要改變封裝的幾何結構。
88. 在封裝中避免信號在不同電壓平面的切換,因爲這會產生封裝諧振。
89. 在封裝中可能出現諧振,就在它的外部加上鐵氧體濾波薄片。
90. 在差分對中,減少佈線的不對稱性。
91. 在所有的差分對接頭處使用共模信號扼流濾波器。
92. 在所有外部電纜周圍使用共模信號扼流濾波器。
93. 選出所有的I/O線,在時序預算要求內使用上升時間最少的信號。
94. 使用擴頻時鐘發生器在較寬的頻率範圍內產生諧波,幷在FFC測試的帶寬範圍內減少輻射能量。
95. 當連接屏蔽電纜時,保持屏蔽層與外殼良好接觸。
96. 減少屏蔽電纜接頭至外殼的電感。在電纜和外殼屏蔽層之間使用同軸接頭。
97. 設備支座不能破壞外殼的完整性。
98. 只在互連時才能破壞外殼的完整性。
99. 使開孔的直徑遠小於可能泄露的最低頻率輻射的波長。使用數量多而直徑小的開孔比數量少而直徑大的開孔要好。
100. 導致產品交期Delay就是最昂貴的規則。
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