內容介紹
內容簡介
《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》全麵論述瞭信號完整性與電源完整性問題。主要講述信號完整性分析及物理設計概論,6類信號完整性問題的實質含義,物理互連設計對信號完整性的影響,電容、電感、電阻和電導的特性分析,求解信號完整性問題的4種實用技術途徑,推導和仿真背後隱藏的解決方案,以及改進信號完整性的推薦設計準則等。《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》還討論瞭信號完整性中S參數的應用問題,並給齣瞭電源分配網絡的設計實例。《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》強調直覺理解、實用工具和工程素養。作者以實踐專傢的視角指齣造成信號完整性問題的根源,並特彆給齣瞭設計階段前期的問題解決方案。
《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》是麵嚮電子行業設計工程師和産品負責人的一本具有實用價值的參考書,研讀《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》有助於在信號完整性問題齣現之前提前發現並及早加以解決。同時,《國外電子與通信教材係列:信號完整性與電源完整性分析(D2版)》也可作為相關專業本科生及研究生的教學用書。
作者簡介
作者Eric Bogatin在信號完整性領域,包括基本原理、測量技術和分析工具等方麵舉辦過多期短期課程,目前為GigaTest實驗室1席技術主管。
內頁插圖
目錄
D1章 信號完整性分析概論
1.1 信號完整性的含義
1.2 單一網絡的信號質量
1.3 串擾
1.4 軌道塌陷噪聲
1.5 電磁乾擾
1.6 信號完整性的兩個重要推論
1.7 電子産品的趨勢
1.8 新設計方法學的必要性
1.9 一種新的産品設計方法學
1.10仿真
1.11模型與建模
1.12通過計算創建電路模型
1.13三種測量技術
1.14測量的作用
1.15小結
D2章 時域與頻域
2.1 時域
2.2 頻域中的正弦波
2.3 在頻域解決問題
2.4 正弦波的特徵
2.5 傅裏葉變換
2.6 重復信號的頻譜
2.7 理想方波的頻譜
2.8 從頻域逆變換到時域
2.9 帶寬對上升邊的影響
2.10上升邊與帶寬
2.11“有效”的含義
2.12實際信號的帶寬
2.13時鍾頻率與帶寬
2.14測量的帶寬
2.15模型的帶寬
2.16互連的帶寬
2.17小結
D3章 阻抗與電氣模型
3.1 用阻抗描述信號完整性
3.2 阻抗的含義
3.3 實際的與理想的電路元件
3.4 時域中理想電阻器的阻抗
3.5 時域中理想電容器的阻抗
3.6 時域中理想電感器的阻抗
3.7 頻域中的阻抗
3.8 等效電路模型
3.9 電路理論和SPICE
3.10建模簡介
3.11小結
D4章 電阻的物理基礎
4.1 將物理設計轉化為電氣性能
4.2 互連電阻的ZJ近似式
4.3 體電阻率
4.4 單位長度電阻
4.5 方塊電阻
4.6 小結
D5章 電容的物理基礎
5.1 電容器中的電流流動
5.2 球麵電容
5.3 平行闆近似式
5.4 介電常數
5.5 電源、地平麵及去耦電容
5.6 單位長度電容
5.7 二維場求解器
5.8 有效介電常數
5.9 小結
D6章 電感的物理基礎
6.1 電感是什麼
6.2 電感法則之一: 電流周圍會形成
閉閤磁力綫圈
6.3 電感法則之二: 電感是導體電流
1 A時周圍的磁力綫匝韋伯數
6.4 自感和互感
6.5 電感法則之三: 周圍磁力綫
匝數改變時導體兩端産生感
應電壓
6.6 局部電感
6.7 有效電感、總電感或淨電感
及地彈
6.8 迴路自感和迴路互感
6.9 電源分配網絡和迴路電感
6.10每方塊迴路電感
6.11平麵對與過孔的迴路電感
6.12有齣砂孔區域的平麵迴路
電感
6.13迴路互感
6.14多個電感器的等效電感
6.15電感分類
6.16電流分布及集膚深度
6.17高導磁率材料
6.18渦流
6.19小結
D7章 傳輸綫的物理基礎
7.1 不再使用“地”這個詞
7.2 信號
7.3 均勻傳輸綫
7.4 銅中電子的速度
7.5 傳輸綫上信號的速度
7.6 前沿的空間延伸
7.7 “我若是信號”
7.8 傳輸綫的瞬時阻抗
7.9 特性阻抗與可控阻抗
7.10常見的特性阻抗
7.11傳輸綫的阻抗
7.12傳輸綫的驅動
7.13返迴路徑
7.14返迴路徑參考平麵的切換
7.15傳輸綫的一階模型
7.16特性阻抗的近似計算
7.17用二維場求解器計算特性
阻抗
7.18n節集總電路模型
7.19特性阻抗隨頻率的變化
7.20小結
D8章 傳輸綫與反射
8.1 阻抗突變處的反射
8.2 為什麼會有反射
8.3 阻性負載的反射
8.4 驅動器的內阻
8.5 反彈圖
8.6 反射波形仿真
8.7 用TDR測量反射
8.8 傳輸綫及非故意突變
8.9 多長需要端接
8.10點到點拓撲的通用端接策略
8.11短串聯傳輸綫的反射
8.12短並聯傳輸綫的反射
8.13容性終端的反射
8.14走綫中途容性負載的反射
8.15中途容性時延纍加
8.16拐角和過孔的影響
8.17有載綫
8.18感性突變的反射
8.19補償
8.20小結
D9章 有損綫、上升邊退化與材料
特性
9.1 有損綫的不良影響
9.2 傳輸綫中的損耗
9.3 損耗源: 導綫電阻與趨膚效應
9.4 損耗源: 介質
9.5 介質耗散因子
9.6 耗散因子的真實含義
9.7 有損傳輸綫建模
9.8 有損傳輸綫的特性阻抗
9.9 有損傳輸綫中的信號速度
9.10衰減與dB
9.11有損綫上的衰減
9.12頻域中有損綫特性的度量
9.13互連的帶寬
9.14有損綫的時域行為
9.15改善傳輸綫眼圖
9.16預加重與均衡化
9.17小結
D10章 傳輸綫的串擾
10.1 疊加
10.2 耦閤源: 電容和電感
10.3 傳輸綫串擾: NEXT與
FEXT
10.4 串擾模型
10.5 SPICE電容矩陣
10.6 麥剋斯韋電容矩陣與二維場
求解器
10.7 電感矩陣
10.8 均勻傳輸綫上的串擾和飽和
長度
10.9 容性耦閤電流
10.10感性耦閤電流
10.11近端串擾
10.12遠端串擾
10.13減小遠端串擾
10.14串擾仿真
10.15防護布綫
10.16串擾與介電常數
10.17串擾與時序
10.18開關噪聲
10.19降低串擾的措施
10.20小結
D11章 差分對與差分阻抗
11.1 差分信令
11.2 差分對
11.3 無耦閤時的差分阻抗
11.4 耦閤的影響
11.5 差分阻抗的計算
11.6 差分對返迴電流的分布
11.7 奇模與偶模
11.8 差分阻抗與奇模阻抗
11.9 共模阻抗與偶模阻抗
11.10差分/共模信號與奇模/偶模
電壓分量
11.11奇模/偶模速度與遠端
串擾
11.12理想耦閤傳輸綫或理想差分
對模型
11.13奇模及偶模阻抗的測量
11.14差分及共模信號的端接
11.15差分信號嚮共模信號轉化
11.16電磁乾擾和共模信號
11.17差分對的串擾
11.18跨越返迴路徑中的間隙
11.19是否要緊耦閤
11.20根據電容和電感矩陣元素
計算奇模及偶模
11.21特性阻抗矩陣
11.22小結
D12章 S參數在信號完整性中的
應用
12.1 一種新基準: S參數
12.2 S參數的定義
12.3 S參數的基本公式
12.4 S參數矩陣
12.5 返迴及插入損耗仿真
12.6 互連的透明度
12.7 改變端口阻抗
12.8 50 Ω均勻傳輸綫S21的
相位
12.9 均勻傳輸綫S21的幅值
12.10傳輸綫之間的耦閤
12.11非50 Ω傳輸綫的插入
損耗
12.12S參數的擴展
12.13單端及差分S參數
12.14差分插入損耗
12.15模態轉化項
12.16轉換為混模S參數
12.17時域和頻域
12.18小結
D13章 電源分配網絡
13.1 PDN的問題
13.2 問題的根源
13.3 PDNZ重要的設計準則
13.4 如何確定目標阻抗
13.5 不同産品對PDN的要求
不同
13.6 PDN工程化建模
13.7 穩壓模塊
13.8 用SPICE仿真阻抗
13.9 片上電容
13.10封裝屏障
13.11未加去耦電容器的PDN
13.12多層陶瓷電容器(MLCC)
13.13等效串聯電感
13.14迴路電感的解析近似
13.15電容器裝連的優化
13.16電容器的並聯
13.17添加電容器降低並聯諧振
峰值
13.18電容器容值的選取
13.19電容器個數的估算
13.20每nH電感的成本
13.21靠個數多還是選閤適值
13.22修整阻抗麯綫的頻域目標
阻抗法
13.23何時要考慮每pH的電感
13.24位置的重要性
13.25擴散電感的製約
13.26從芯片看過去
13.27綜閤效果
13.28小結
附錄A 100條使信號完整性問題Z小化
的通用設計規則
附錄B 100條估計信號完整性效應的
經驗法則
附錄C
參考文獻
前言/序言
從本書D一版齣版至今,信號完整性的原理並未發生改變。發生變化的是隨著高速鏈路的大量應用,電源完整性正在成為開發新産品能夠成功還是失敗的關鍵角色。
除瞭在大多數章節,尤其是在差分對和損耗章節中充實瞭許多內容和示例之外,D二版新增瞭兩章,目的是針對D今的工程師和設計師們的實際需求提供一個堅實的基礎。
D12章是新增的一章,深入介紹瞭在信號完整性中如何使用S參數。隻要你遇到的是高速鏈路問題,J會接觸到S參數。由於采用的是高速數字設計師們所不熟悉的頻域語言錶示,常常令人望而生畏。正如本書的所有章節,D12章提供瞭一個理解這一格式的堅實基礎,以便讓所有工程師可以充分利用S參數的強大功能。
新增的另一章是關於電源完整性的D13章。這一問題不斷進入設計工程師的視野。對於高速應用,電源分配路徑的互連不僅僅影響著電源配送,而且影響著信號的返迴路徑,以及電磁兼容測試認證能否通過。
我們從Z基本的內容齣發,討論電源分配互連的角色,分析不同的設計和工藝如何影響電源分配網絡性能的優劣。介紹平麵阻抗的基本原理、擴散電感、去耦電容器、電容器的迴路電感等。這些有價值的感悟將有助於培養工程師的直覺,從而使他們能夠運用自己的創造力去綜閤齣新的設計。在實現一個新創意的過程中,與設計密不可分的工作是性能分析。通過分析,可以找齣性能與價格的摺中方案,修整齣完美的PDN阻抗麯綫。
如果你是信號完整性方麵的一位新手,那麼本書將是你的入門教材。籍此奠定一個堅實的基礎,從此可以使你的信號完整性設計做到1次成功!次次成功!
目錄
D1章 信號完整性分析概論 1.1 信號完整性的含義 1.2 單一網絡的信號質量 1.3 串擾 1.4 軌道塌陷噪聲 1.5 電磁乾擾 1.6 信號完整性的兩個重要推論 1.7 電子産品的趨勢 1.8 新設計方法學的必要性 1.9 一種新的産品設計方法學 1.10仿真 1.11模型與建模 1.12通過計算創建電路模型 1.13三種測量技術D1章 信號完整性分析概論
1.1 信號完整性的含義
1.2 單一網絡的信號質量
1.3 串擾
1.4 軌道塌陷噪聲
1.5 電磁乾擾
1.6 信號完整性的兩個重要推論
1.7 電子産品的趨勢
1.8 新設計方法學的必要性
1.9 一種新的産品設計方法學
1.10仿真
1.11模型與建模
1.12通過計算創建電路模型
1.13三
《信號完整性與電源完整性分析(第2版)》圖書簡介 在高速數字電路設計的浪潮中,信號完整性(SI)和電源完整性(PI)已成為決定産品性能、穩定性和可靠性的關鍵因素。本書,作為《信號完整性與電源完整性分析》的第二版,旨在為讀者提供一個全麵、深入且極具實踐指導意義的學習平颱,幫助工程師們掌握前沿的設計理念、分析方法和實踐技巧,從而應對日益嚴峻的設計挑戰。 本書的核心價值在於其係統性的知識架構和對理論與實踐的深度融閤。它並非對某個特定技術或工具的簡單羅列,而是構建瞭一個完整的設計生態係統,從基礎原理的梳理,到高級現象的剖析,再到具體設計流程的指導,層層遞進,環環相扣。讀者將在此書中獲得一種“由內而外”的認知提升,理解SI/PI問題的根源,學會預測和規避潛在風險,最終能夠自信地設計齣高性能、高可靠性的電子産品。 第一部分:基礎原理與建模 在進入復雜的SI/PI問題之前,本書首先為讀者打下堅實的理論基礎。 電磁場理論的復習與應用: 信號的傳輸本質上是電磁波的傳播。本書會從麥剋斯韋方程組齣發,以一種易於理解的方式,迴顧並強調與SI/PI分析緊密相關的電磁場理論知識,包括電場、磁場、波阻抗、介質損耗等概念。重點在於如何將這些抽象的理論轉化為實際的電路參數,為後續的建模和仿真奠定基礎。 傳輸綫理論的深入剖析: 信號在PCB(印刷電路闆)上的傳輸,絕大多數情況下可以抽象為傳輸綫模型。本書將詳細講解傳輸綫的基本特性,如特徵阻抗、傳播延遲、反射、駐波等。不僅會介紹理想傳輸綫的模型,還會深入討論實際傳輸綫中存在的各種非理想因素,例如導體損耗、介質損耗、不連續性引起的反射等。通過對這些因素的深入理解,讀者將能更好地識彆和量化信號損耗和失真。 S參數的構建與解析: S參數(Scattering Parameters)是描述多端口網絡特性的強大工具,在SI/PI分析中扮演著核心角色。本書會詳細介紹S參數的定義、計算方法以及其物理意義。讀者將學習如何從S參數中提取關鍵信息,例如插入損耗(S21)、迴波損耗(S11)、串擾(S21, S12)等,並理解這些參數如何直接反映瞭傳輸綫的性能。本書將涵蓋從基本S參數測量到復雜網絡S參數建模的全過程。 電路模型與仿真器的結閤: 理論知識需要通過有效的工具進行驗證和應用。本書將介紹幾種常用的電路模型,如RLC模型、傳輸綫模型等,並解釋如何將其集成到EDA(Electronic Design Automation)仿真器中。重點會放在如何選擇閤適的模型,以及如何準確地建立模型參數,以期獲得與實際測量結果高度吻閤的仿真數據。 第二部分:信號完整性(SI)分析 信號完整性問題直接影響到數字信號的準確性和時序。本書將係統地剖析SI問題的産生機製、影響因素以及解決方案。 信號反射與阻抗匹配: 信號在傳輸過程中,由於阻抗的不匹配,會在各個連接點發生反射。這些反射會疊加在原始信號上,導緻信號失真、幅度降低,甚至引起時序錯誤。本書將深入探討反射的原理,詳細介紹阻抗匹配技術,包括端接(Termination)策略(串聯端接、並聯端接、戴維南端接等)的應用場景和設計原則。讀者將學會如何通過計算和仿真來確定最佳的匹配方案。 信號衰減與損耗機製: 信號在傳輸過程中會因為導體損耗(集膚效應、鄰近效應)和介質損耗(介電常數損耗、導體錶麵粗糙度損耗)而逐漸衰減。本書會詳細解釋這些損耗的物理根源,以及它們如何隨頻率變化而變化。通過對損耗機製的深刻理解,讀者將能閤理選擇PCB材料、走綫寬度、過孔設計等,以最大限度地降低信號衰減。 串擾(Crosstalk)與 EMI(Electromagnetic Interference)的成因與抑製: 當信號綫之間距離過近或耦閤過強時,會發生串擾,即一條信號綫上的信號會“乾擾”到相鄰信號綫。嚴重的串擾會引入噪聲,影響信號的判讀,甚至導緻誤碼。本書將詳細闡述串擾的産生機理,包括容性耦閤和感性耦閤。同時,會介紹各種抑製串擾的技術,例如增加走綫間距、使用地綫隔離、差分信號設計、以及優化布綫層疊結構等。此外,還會探討串擾與EMI(電磁乾擾)之間的關聯,並提供初步的EMI抑製建議。 抖動(Jitter)與眼圖(Eye Diagram)分析: 抖動是信號到達時間或幅度的隨機或周期性變化,它直接影響到數字信號的采樣窗口,是衡量信號質量的關鍵指標。本書將深入講解不同類型的抖動(隨機抖動、確定性抖動),以及它們對係統性能的影響。同時,會詳細介紹眼圖的生成原理、構成要素以及如何通過眼圖來評估信號的質量,識彆潛在的SI問題。讀者將學會如何根據眼圖的形狀來判斷反射、串擾、衰減等問題的嚴重程度。 高速互連(High-Speed Interconnects)設計: 隨著數據傳輸速率的不斷提升,連接器、綫纜、BGA封裝等高速互連部分也成為SI設計的瓶頸。本書將分析這些互連元件的SI特性,討論如何選擇和設計低損耗、低串擾的連接器和綫纜,以及如何優化BGA封裝的引腳分配和焊盤設計,以確保信號在這些關鍵節點上的完整性。 第三部分:電源完整性(PI)分析 穩定的電壓和充足的電流供應是所有電子器件正常工作的先決條件。電源完整性問題常常隱藏在信號完整性問題之下,卻同樣緻命。 電源分配網絡(PDN)的基本原理: PDN是指從電源輸齣到IC內部芯片電源管腳的整個供電路徑。本書將詳細介紹PDN的構成,包括電源端口、PCB走綫、去耦電容、VRM(Voltage Regulator Module)等。重點在於理解PDN的阻抗特性,以及它如何影響芯片的供電穩定性。 PDN阻抗與電源噪聲: 當IC的電流需求發生快速變化時(例如,從空閑狀態突然切換到高速工作狀態),PDN的阻抗特性將直接決定能否及時響應,從而産生電壓跌落(Voltage Drop)和電源噪聲。本書將深入講解PDN阻抗的計算和仿真方法,以及如何通過設計來降低PDN阻抗,例如優化PCB走綫、閤理布局和選擇去耦電容。 去耦電容(Decoupling Capacitors)的設計與選型: 去耦電容是PDN中最重要的儲能和濾波元件,它們負責在IC需要瞬間大電流時提供能量,並濾除高頻噪聲。本書將詳細講解去耦電容的工作原理、等效電路模型(ESR, ESL),以及不同類型電容(陶瓷電容、鉭電容、電解電容)的特性和適用場景。讀者將學會如何根據IC的功耗特性和頻率響應,精確計算所需的去耦電容容量、數量和布局位置。 VRM(Voltage Regulator Module)的特性與影響: VRM是PDN的源頭,其穩定性和響應速度直接影響到整個PDN的性能。本書將分析不同類型的VRM(綫性穩壓器、開關穩壓器)的優缺點,以及它們如何影響PDN的動態響應。重點會放在如何選擇閤適的VRM,以及VRM與PDN之間的協同設計,以確保整體電源供應的穩定性。 電源噪聲的測量與分析: 準確測量和分析電源噪聲是識彆PI問題的關鍵。本書將介紹各種電源噪聲測量方法,包括示波器測量、頻譜分析儀測量等。同時,會指導讀者如何從測量數據中提取有效信息,識彆噪聲的來源和頻率特性,從而為PI問題的解決提供依據。 第四部分:高級分析與實踐 在掌握瞭基礎原理和核心分析技術後,本書將帶領讀者進入更高級的分析領域,並強調實際設計中的應用。 仿真工具的使用與技巧: 現代SI/PI設計離不開強大的仿真工具。本書將介紹業界常用的SI/PI仿真工具,如Ansys SIwave, Cadence Allegro/APD, Keysight ADS等,並分享實際使用中的技巧和最佳實踐。重點在於如何設置仿真環境,選擇閤適的模型,解讀仿真結果,以及如何通過仿真指導設計優化。 SI/PI問題的根源與解決策略: 本部分將綜閤前麵所學的知識,深入剖析各種常見的SI/PI問題的根源,並提供係統性的解決策略。例如,當齣現信號上升沿變緩時,可能是損耗問題;當齣現振鈴時,可能是阻抗不匹配;當齣現電壓紋波時,可能是PDN阻抗過高。本書將通過大量的案例分析,幫助讀者將理論知識轉化為解決實際問題的能力。 PCB布綫與疊層設計對SI/PI的影響: PCB的設計是SI/PI問題的溫床。本書將詳細討論PCB的走綫規則(間距、長度、層疊)、過孔設計、焊盤設計、淚滴設計等如何直接影響信號和電源的完整性。重點在於如何進行閤理的PCB布綫和層疊設計,以主動地避免SI/PI問題的發生。 差分信號設計: 差分信號因其良好的抗乾擾能力和高數據率傳輸能力,在高速接口(如USB, HDMI, PCIe)中得到廣泛應用。本書將深入講解差分信號的原理、設計規則、阻抗控製、共模噪聲抑製以及差分對布綫技巧。 SI/PI與EMC/EMI的協同設計: SI/PI問題往往與EMC/EMI問題相互關聯。本書將探討如何通過優化的SI/PI設計來協同改善EMC/EMI性能,例如閤理的參考平麵設計、接地設計、屏蔽設計等。 測量與驗證: 仿真固然重要,但實際測量是驗證設計的最終手段。本書將介紹進行SI/PI測量的關鍵設備(高帶寬示波器、網絡分析儀、TDR等)和常用測量方法。指導讀者如何進行有效的測量,並與仿真結果進行對比,從而發現設計中的潛在問題。 總而言之,《信號完整性與電源完整性分析(第2版)》是一本麵嚮實際、注重應用、理論紮實、內容全麵的著作。它不僅僅是一本技術手冊,更是一份指導工程師在復雜高速電路設計領域披荊斬棘的寶典。無論您是初入數字設計領域的新手,還是經驗豐富的資深工程師,本書都將為您提供寶貴的知識和實用的工具,幫助您設計齣更加可靠、高性能的電子産品。