内容介绍
内容简介
《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》全面论述了信号完整性与电源完整性问题。主要讲述信号完整性分析及物理设计概论,6类信号完整性问题的实质含义,物理互连设计对信号完整性的影响,电容、电感、电阻和电导的特性分析,求解信号完整性问题的4种实用技术途径,推导和仿真背后隐藏的解决方案,以及改进信号完整性的推荐设计准则等。《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》还讨论了信号完整性中S参数的应用问题,并给出了电源分配网络的设计实例。《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》强调直觉理解、实用工具和工程素养。作者以实践专家的视角指出造成信号完整性问题的根源,并特别给出了设计阶段前期的问题解决方案。
《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》是面向电子行业设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书,研读《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》有助于在信号完整性问题出现之前提前发现并及早加以解决。同时,《国外电子与通信教材系列:信号完整性与电源完整性分析(D2版)》也可作为相关专业本科生及研究生的教学用书。
作者简介
作者Eric Bogatin在信号完整性领域,包括基本原理、测量技术和分析工具等方面举办过多期短期课程,目前为GigaTest实验室1席技术主管。
内页插图
目录
D1章 信号完整性分析概论
1.1 信号完整性的含义
1.2 单一网络的信号质量
1.3 串扰
1.4 轨道塌陷噪声
1.5 电磁干扰
1.6 信号完整性的两个重要推论
1.7 电子产品的趋势
1.8 新设计方法学的必要性
1.9 一种新的产品设计方法学
1.10仿真
1.11模型与建模
1.12通过计算创建电路模型
1.13三种测量技术
1.14测量的作用
1.15小结
D2章 时域与频域
2.1 时域
2.2 频域中的正弦波
2.3 在频域解决问题
2.4 正弦波的特征
2.5 傅里叶变换
2.6 重复信号的频谱
2.7 理想方波的频谱
2.8 从频域逆变换到时域
2.9 带宽对上升边的影响
2.10上升边与带宽
2.11“有效”的含义
2.12实际信号的带宽
2.13时钟频率与带宽
2.14测量的带宽
2.15模型的带宽
2.16互连的带宽
2.17小结
D3章 阻抗与电气模型
3.1 用阻抗描述信号完整性
3.2 阻抗的含义
3.3 实际的与理想的电路元件
3.4 时域中理想电阻器的阻抗
3.5 时域中理想电容器的阻抗
3.6 时域中理想电感器的阻抗
3.7 频域中的阻抗
3.8 等效电路模型
3.9 电路理论和SPICE
3.10建模简介
3.11小结
D4章 电阻的物理基础
4.1 将物理设计转化为电气性能
4.2 互连电阻的ZJ近似式
4.3 体电阻率
4.4 单位长度电阻
4.5 方块电阻
4.6 小结
D5章 电容的物理基础
5.1 电容器中的电流流动
5.2 球面电容
5.3 平行板近似式
5.4 介电常数
5.5 电源、地平面及去耦电容
5.6 单位长度电容
5.7 二维场求解器
5.8 有效介电常数
5.9 小结
D6章 电感的物理基础
6.1 电感是什么
6.2 电感法则之一: 电流周围会形成
闭合磁力线圈
6.3 电感法则之二: 电感是导体电流
1 A时周围的磁力线匝韦伯数
6.4 自感和互感
6.5 电感法则之三: 周围磁力线
匝数改变时导体两端产生感
应电压
6.6 局部电感
6.7 有效电感、总电感或净电感
及地弹
6.8 回路自感和回路互感
6.9 电源分配网络和回路电感
6.10每方块回路电感
6.11平面对与过孔的回路电感
6.12有出砂孔区域的平面回路
电感
6.13回路互感
6.14多个电感器的等效电感
6.15电感分类
6.16电流分布及集肤深度
6.17高导磁率材料
6.18涡流
6.19小结
D7章 传输线的物理基础
7.1 不再使用“地”这个词
7.2 信号
7.3 均匀传输线
7.4 铜中电子的速度
7.5 传输线上信号的速度
7.6 前沿的空间延伸
7.7 “我若是信号”
7.8 传输线的瞬时阻抗
7.9 特性阻抗与可控阻抗
7.10常见的特性阻抗
7.11传输线的阻抗
7.12传输线的驱动
7.13返回路径
7.14返回路径参考平面的切换
7.15传输线的一阶模型
7.16特性阻抗的近似计算
7.17用二维场求解器计算特性
阻抗
7.18n节集总电路模型
7.19特性阻抗随频率的变化
7.20小结
D8章 传输线与反射
8.1 阻抗突变处的反射
8.2 为什么会有反射
8.3 阻性负载的反射
8.4 驱动器的内阻
8.5 反弹图
8.6 反射波形仿真
8.7 用TDR测量反射
8.8 传输线及非故意突变
8.9 多长需要端接
8.10点到点拓扑的通用端接策略
8.11短串联传输线的反射
8.12短并联传输线的反射
8.13容性终端的反射
8.14走线中途容性负载的反射
8.15中途容性时延累加
8.16拐角和过孔的影响
8.17有载线
8.18感性突变的反射
8.19补偿
8.20小结
D9章 有损线、上升边退化与材料
特性
9.1 有损线的不良影响
9.2 传输线中的损耗
9.3 损耗源: 导线电阻与趋肤效应
9.4 损耗源: 介质
9.5 介质耗散因子
9.6 耗散因子的真实含义
9.7 有损传输线建模
9.8 有损传输线的特性阻抗
9.9 有损传输线中的信号速度
9.10衰减与dB
9.11有损线上的衰减
9.12频域中有损线特性的度量
9.13互连的带宽
9.14有损线的时域行为
9.15改善传输线眼图
9.16预加重与均衡化
9.17小结
D10章 传输线的串扰
10.1 叠加
10.2 耦合源: 电容和电感
10.3 传输线串扰: NEXT与
FEXT
10.4 串扰模型
10.5 SPICE电容矩阵
10.6 麦克斯韦电容矩阵与二维场
求解器
10.7 电感矩阵
10.8 均匀传输线上的串扰和饱和
长度
10.9 容性耦合电流
10.10感性耦合电流
10.11近端串扰
10.12远端串扰
10.13减小远端串扰
10.14串扰仿真
10.15防护布线
10.16串扰与介电常数
10.17串扰与时序
10.18开关噪声
10.19降低串扰的措施
10.20小结
D11章 差分对与差分阻抗
11.1 差分信令
11.2 差分对
11.3 无耦合时的差分阻抗
11.4 耦合的影响
11.5 差分阻抗的计算
11.6 差分对返回电流的分布
11.7 奇模与偶模
11.8 差分阻抗与奇模阻抗
11.9 共模阻抗与偶模阻抗
11.10差分/共模信号与奇模/偶模
电压分量
11.11奇模/偶模速度与远端
串扰
11.12理想耦合传输线或理想差分
对模型
11.13奇模及偶模阻抗的测量
11.14差分及共模信号的端接
11.15差分信号向共模信号转化
11.16电磁干扰和共模信号
11.17差分对的串扰
11.18跨越返回路径中的间隙
11.19是否要紧耦合
11.20根据电容和电感矩阵元素
计算奇模及偶模
11.21特性阻抗矩阵
11.22小结
D12章 S参数在信号完整性中的
应用
12.1 一种新基准: S参数
12.2 S参数的定义
12.3 S参数的基本公式
12.4 S参数矩阵
12.5 返回及插入损耗仿真
12.6 互连的透明度
12.7 改变端口阻抗
12.8 50 Ω均匀传输线S21的
相位
12.9 均匀传输线S21的幅值
12.10传输线之间的耦合
12.11非50 Ω传输线的插入
损耗
12.12S参数的扩展
12.13单端及差分S参数
12.14差分插入损耗
12.15模态转化项
12.16转换为混模S参数
12.17时域和频域
12.18小结
D13章 电源分配网络
13.1 PDN的问题
13.2 问题的根源
13.3 PDNZ重要的设计准则
13.4 如何确定目标阻抗
13.5 不同产品对PDN的要求
不同
13.6 PDN工程化建模
13.7 稳压模块
13.8 用SPICE仿真阻抗
13.9 片上电容
13.10封装屏障
13.11未加去耦电容器的PDN
13.12多层陶瓷电容器(MLCC)
13.13等效串联电感
13.14回路电感的解析近似
13.15电容器装连的优化
13.16电容器的并联
13.17添加电容器降低并联谐振
峰值
13.18电容器容值的选取
13.19电容器个数的估算
13.20每nH电感的成本
13.21靠个数多还是选合适值
13.22修整阻抗曲线的频域目标
阻抗法
13.23何时要考虑每pH的电感
13.24位置的重要性
13.25扩散电感的制约
13.26从芯片看过去
13.27综合效果
13.28小结
附录A 100条使信号完整性问题Z小化
的通用设计规则
附录B 100条估计信号完整性效应的
经验法则
附录C
参考文献
前言/序言
从本书D一版出版至今,信号完整性的原理并未发生改变。发生变化的是随着高速链路的大量应用,电源完整性正在成为开发新产品能够成功还是失败的关键角色。
除了在大多数章节,尤其是在差分对和损耗章节中充实了许多内容和示例之外,D二版新增了两章,目的是针对D今的工程师和设计师们的实际需求提供一个坚实的基础。
D12章是新增的一章,深入介绍了在信号完整性中如何使用S参数。只要你遇到的是高速链路问题,J会接触到S参数。由于采用的是高速数字设计师们所不熟悉的频域语言表示,常常令人望而生畏。正如本书的所有章节,D12章提供了一个理解这一格式的坚实基础,以便让所有工程师可以充分利用S参数的强大功能。
新增的另一章是关于电源完整性的D13章。这一问题不断进入设计工程师的视野。对于高速应用,电源分配路径的互连不仅仅影响着电源配送,而且影响着信号的返回路径,以及电磁兼容测试认证能否通过。
我们从Z基本的内容出发,讨论电源分配互连的角色,分析不同的设计和工艺如何影响电源分配网络性能的优劣。介绍平面阻抗的基本原理、扩散电感、去耦电容器、电容器的回路电感等。这些有价值的感悟将有助于培养工程师的直觉,从而使他们能够运用自己的创造力去综合出新的设计。在实现一个新创意的过程中,与设计密不可分的工作是性能分析。通过分析,可以找出性能与价格的折中方案,修整出完美的PDN阻抗曲线。
如果你是信号完整性方面的一位新手,那么本书将是你的入门教材。籍此奠定一个坚实的基础,从此可以使你的信号完整性设计做到1次成功!次次成功!
目录
D1章 信号完整性分析概论 1.1 信号完整性的含义 1.2 单一网络的信号质量 1.3 串扰 1.4 轨道塌陷噪声 1.5 电磁干扰 1.6 信号完整性的两个重要推论 1.7 电子产品的趋势 1.8 新设计方法学的必要性 1.9 一种新的产品设计方法学 1.10仿真 1.11模型与建模 1.12通过计算创建电路模型 1.13三种测量技术D1章 信号完整性分析概论
1.1 信号完整性的含义
1.2 单一网络的信号质量
1.3 串扰
1.4 轨道塌陷噪声
1.5 电磁干扰
1.6 信号完整性的两个重要推论
1.7 电子产品的趋势
1.8 新设计方法学的必要性
1.9 一种新的产品设计方法学
1.10仿真
1.11模型与建模
1.12通过计算创建电路模型
1.13
《电磁兼容设计与分析》 内容简介: 在高速数字电路和高频系统中,电磁兼容性(EMC)是一个至关重要但又常常被忽视的环节。随着电子设备集成度的不断提高,信号速度的飞速发展,以及无线通信技术的广泛应用,电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)问题日益凸显,直接影响着产品的可靠性、性能和用户的体验。本书旨在系统深入地阐述电磁兼容设计的原理、方法和实践,帮助工程师和技术人员理解和解决在电子产品开发过程中遇到的各种电磁兼容性难题。 全书围绕着电磁兼容的“发射”(EMI)和“敏感性”(EMS)两大核心议题展开,并详细探讨了实现电磁兼容所必需的设计原则和分析技术。 第一篇:电磁兼容基础理论 本篇首先从最基本的物理原理出发,为读者建立坚实的电磁兼容理论基础。 电磁场的物理本质: 介绍麦克斯韦方程组在电磁兼容领域的意义,理解电磁波的产生、传播和耦合机制。我们将探讨不同频率下电磁场的行为特性,以及它们如何影响电子设备。 电磁干扰的产生机理: 详细分析各种常见的电磁干扰源,包括但不限于: 传导干扰: 信号线、电源线上的高频噪声、开关电源的谐波、数字信号的回流问题等。 辐射干扰: 耦合到周围空间的电磁波,如时钟信号、数据信号的泄露,高频器件的辐射等。 串扰: 信号线之间由于电容和电感耦合产生的干扰。 地弹: 由于电流在接地回路中的压降引起的电压波动,对数字电路的稳定性产生严重影响。 共模干扰与差模干扰: 区分这两种主要的干扰模式,并分析它们的产生和传播途径。 电磁敏感性的表现: 阐述电子设备如何受到外部电磁场的干扰,导致性能下降甚至失效,例如: 外部电磁场对设备的干扰: 手机信号、广播电视信号、工业设备的电磁辐射等。 静电放电(ESD): 讲解ESD的产生、对器件的损害机理以及防护措施。 电快速瞬变脉冲群(EFT/B): 分析EFT/B对电子设备的影响,以及如何通过滤波和屏蔽来抑制。 浪涌(Surge): 探讨雷击和电力线路故障引起的浪涌对设备造成的破坏,以及相应的防护设计。 电磁兼容标准与法规: 介绍国内外主要的电磁兼容标准,如CISPR、FCC、CE、GB等,以及它们对产品设计提出的要求。理解不同产品类别和目标市场的EMC认证要求,为产品进入市场提供指导。 电磁耦合机制: 深入分析电磁场在不同介质和结构之间的耦合方式,包括: 容性耦合: 电场通过电容效应进行传递。 感性耦合: 磁场通过电感效应进行传递。 传输线耦合: 信号线作为传输线,将能量向外辐射或从外部接收。 近场与远场: 理解不同距离下电磁场的特性及其对耦合的影响。 第二篇:电磁兼容设计原则与技术 本篇聚焦于在产品设计阶段如何主动地、系统地考虑和解决电磁兼容问题。 PCB布局与布线设计: 这是EMC设计中最为关键的环节之一。 地平面设计: 强调使用连续、完整的参考地平面,理解其在信号完整性和EMI抑制中的作用。讨论了分割地平面和多层板地平面设计等复杂场景。 信号完整性与EMC的关联: 深入分析高速信号的反射、振铃、过冲、下冲等问题,以及它们如何转化为EMI辐射。 差分信号布线: 介绍差分信号的优点,以及如何进行差分对的匹配布线,最小化模态转换和外部耦合。 关键信号的处理: 讲解时钟信号、高速数据信号、复位信号等敏感信号的布线策略。 连接器和线缆的EMC设计: 讨论连接器的选择、屏蔽以及线缆的屏蔽和接地方式。 去耦电容的选型与布局: 详细讲解去耦电容的原理,如何选择合适的容值和 ESR,以及其在PCB上的最佳布局位置,以有效抑制电源噪声。 屏蔽技术: 屏蔽的原理: 阐述金属材料如何衰减电磁场,以及屏蔽效能的影响因素,如屏蔽体的完整性、频率、材料厚度等。 屏蔽体的设计: 介绍各种屏蔽结构,如屏蔽腔体、屏蔽罩、屏蔽电缆等,以及它们的适用场景。 屏蔽接地的艺术: 讨论屏蔽体与系统接地的连接方式,以及如何实现低阻抗的接地,最大化屏蔽效果。 穿透孔和缝隙的处理: 分析这些“薄弱环节”如何降低屏蔽效能,并介绍常用的处理方法,如波导管截止波导、迷宫式密封等。 滤波技术: 滤波器的分类与选型: 介绍各种滤波器类型,如低通、高通、带通、带阻滤波器,以及它们的应用场景。 电源滤波器设计: 重点讲解如何设计高效的电源滤波器,抑制传导干扰,包括共模和差模滤波。 信号滤波器设计: 讨论如何对敏感信号进行滤波,抑制外部噪声。 滤波器的布局与安装: 强调滤波器的正确安装和接地,避免引入新的干扰。 接地技术: 接地系统的基本原理: 详细分析不同接地方式(单点接地、多点接地、混合接地)的优缺点,以及在不同应用场景下的选择。 系统接地与设备接地: 区分并阐述它们在EMC设计中的作用。 接地阻抗的控制: 强调低接地阻抗对抑制地弹和提高EMC性能的重要性。 EMI滤波器的接地: 再次强调滤波器的有效接地是其性能的关键。 线缆和连接器的EMC设计: 线缆屏蔽: 详细介绍不同类型的线缆屏蔽,如编织屏蔽、箔屏蔽、复合屏蔽,以及它们的效果和成本。 连接器屏蔽: 讲解如何选择和使用屏蔽连接器,以及连接器的屏蔽接地。 电缆固定和管理: 探讨如何通过合理的布线和固定,减少线缆的辐射和耦合。 低EMI设计实践: 时钟源设计: 讲解如何优化时钟源的设计,降低其谐波辐射,如扩频时钟等。 开关电源的EMC设计: 关注开关电源的EMI辐射源,讲解如何进行布局优化、使用滤波和屏蔽技术来抑制EMI。 高速接口的EMC考虑: 针对USB、HDMI、PCIe等高速接口,提供具体的EMC设计建议。 器件选型: 讨论低EMI器件的选择,如低噪声电源管理芯片、低寄生参数的元件等。 静电放电(ESD)防护设计: ESD的产生与防护原理: 详细分析ESD的产生过程,以及如何通过器件选择、PCB设计和结构防护来减弱其影响。 ESD测试与标准: 介绍ESD的测试方法和相关的国际标准。 PCB上的ESD防护: 讲解如何在PCB上增加ESD保护器件(如TVS二极管、陶瓷气体放电管等)以及合理的走线策略。 第三篇:电磁兼容分析与测试 本篇介绍如何通过仿真分析和实际测试来评估和验证产品的电磁兼容性能。 电磁兼容分析工具: 仿真软件介绍: 介绍市面上主流的EMC仿真软件,如CST Studio Suite, HFSS, PSpice, HyperLynx等,并阐述它们在不同分析场景下的应用。 仿真流程与技巧: 讲解如何建立EMC仿真模型,进行近场/远场辐射仿真、串扰分析、滤波效果评估等。 仿真结果的解读与优化: 帮助读者理解仿真结果,并指导如何根据仿真结果优化设计。 电磁兼容测试方法: 传导发射测试: 讲解如何进行电源线和信号线的传导发射测试,以及常用的测试设备(LISN, Spectrum Analyzer等)。 辐射发射测试: 介绍在开阔场地或电波暗室中进行的辐射发射测试,以及天线、接收机等设备的使用。 电磁敏感性测试: 详细介绍ESD、EFT/B、浪涌、射频传导骚扰、射频辐射骚扰等抗扰度测试方法,以及相应的测试设备(如ESD发生器、EFT/B发生器、信号发生器、功率放大器等)。 空间辐射场强测试: 讲解如何测量设备在不同距离处的电磁场强度。 测试报告的解读与整改: 理解测试数据: 帮助读者正确解读测试报告中的各项指标。 制定整改方案: 根据测试结果,提出有效的EMC整改措施。 再测试与验证: 强调整改后的产品需要进行复测,以验证整改效果。 EMC问题的故障排除: 系统性的故障排除流程: 提供一套系统的方法论,帮助工程师快速定位和解决EMC问题。 现场测试与调试: 介绍在实际环境中进行EMC问题排查的技巧。 常用EMC问题的解决方案: 结合实际案例,分享常见的EMC问题及其有效的解决方案。 第四篇:案例分析与实践指导 本篇通过大量的实际案例,将理论知识与工程实践相结合,帮助读者深入理解EMC设计的重要性,并掌握实际操作的要领。 不同行业的产品EMC设计案例: 消费电子产品(如手机、笔记本电脑、电视): 分析这些产品在紧凑设计、多功能集成下的EMC挑战,以及相应的解决方案。 通信设备(如基站、路由器): 探讨高密度、高频率设计带来的EMC问题,以及大功率辐射的控制。 工业控制设备: 介绍在强干扰环境中工作的工业设备的EMC设计需求,以及严苛的可靠性要求。 医疗设备: 强调医疗设备对EMC的特殊要求,以及避免对病人产生电磁危害。 汽车电子: 分析汽车环境下的EMC挑战,包括车身屏蔽、电源线噪声、无线通信干扰等。 典型EMC问题的分析与解决: 具体的PCB布局问题与整改: 例如,时钟线辐射过大、电源地回路过长、关键信号串扰严重等。 屏蔽体设计不当导致的辐射超标: 分析屏蔽体接地不良、缝隙过大等问题。 滤波效果不佳的电源设计: 讲解如何优化滤波电路。 ESD防护失效的分析: 探讨ESD防护器件选型不当或布局问题。 EMC设计流程的优化: 将EMC设计融入产品生命周期: 强调EMC设计应贯穿于产品概念、设计、开发、测试直至量产的全过程。 建立EMC设计规范与检查表: 帮助企业建立标准化的EMC设计流程。 团队协作与沟通: 强调硬件、软件、结构、测试等不同团队在EMC设计中的协作。 本书特点: 理论与实践相结合: 既有深入浅出的理论讲解,又有贴近实际的工程案例分析。 内容全面深入: 覆盖了电磁兼容设计与分析的各个方面,从基础原理到高级技巧。 图文并茂: 结合大量的图表、原理图和PCB布局示意图,使概念更加直观易懂。 强调工程思维: 注重培养读者解决实际EMC问题的能力,而非仅仅停留在理论层面。 面向读者: 适合于电子工程师、硬件设计人员、嵌入式系统开发人员、EMC工程师以及相关专业的学生。 通过阅读本书,读者将能够更深刻地理解电磁兼容的复杂性,掌握有效的EMC设计策略和分析方法,从而设计出性能稳定、可靠且符合法规要求的高质量电子产品。在日益竞争激烈的电子行业中,掌握电磁兼容技术将是提升产品竞争力的关键。