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
1.13三种测
《信号完整性与电源完整性分析 (第2版)》图书简介 在高速数字设计日新月异的今天,电子设备性能的瓶颈日益凸显,其根源往往隐藏在看似微不足道的信号路径和电源分配网络中。以往依赖经验和直觉的设计方法已难以应对日益复杂的信号交互和精密的电源要求。本书《信号完整性与电源完整性分析 (第2版)》正是应运而生,为广大电子工程师、硬件设计师、嵌入式系统开发者以及相关领域的研究者们提供了一套系统、深入且实用的理论指导与实践工具。 本书第二版在继承了第一版经典理论体系的基础上,紧密结合当前电子设计的前沿发展和行业痛点,在内容上进行了全面的更新与拓展。它不仅仅是一本技术手册,更是一部贯穿高速数字系统设计生命周期的“百科全书”,旨在帮助读者从根本上理解信号和电源的物理特性,掌握分析和优化这些特性的关键技术,从而设计出更可靠、更高性能、更具竞争力的电子产品。 核心内容概述 本书的价值在于其内容的广度和深度,它从基础的电磁场理论出发,层层递进,直至高级的仿真与优化技术,覆盖了信号完整性(SI)和电源完整性(PI)分析的方方面面。 基础理论的坚实奠基: 电磁场与传输线理论: 信号完整性问题的根源在于电磁场的传播。本书详细讲解了麦克斯韦方程组在传输线模型中的应用,包括均匀传输线、不均匀传输线、多导体传输线等。读者将深入理解阻抗、反射、串扰、损耗等基本概念,这些是理解SI问题的基石。 集总参数与分布参数: 明确何时可以采用集总参数模型,何时必须采用分布参数模型,对于简化分析过程至关重要。本书对此进行了清晰的界定和讲解。 S参数与Y参数: S参数作为描述线性时不变网络特性的强大工具,在SI分析中扮演着核心角色。本书详细阐述了S参数的物理意义,以及如何利用S参数来表征传输线的频率响应、损耗和串扰。Y参数等其他参数的介绍也为读者提供了更广阔的视角。 信号完整性(SI)的深入剖析: 反射分析: 信号在传输线中的反射是SI问题的首要敌人。本书详细分析了阻抗不匹配引起的反射,以及反射如何导致信号失真、时序错误和误触发。读者将学会如何计算和评估反射,并掌握通过阻抗匹配、端接技术等手段来抑制反射的方法。 串扰分析: 在高密度PCB布局中,相邻信号线之间的电磁耦合会产生串扰。本书深入讲解了串扰的产生机制、影响因素(如耦合长度、间距、信号速度),以及如何通过布局布线规则、隔离技术、差分信号设计等来减小串扰。 损耗分析: 随着信号频率的提高,介质损耗和导体损耗变得不可忽视,它们会导致信号幅度衰减和波形展宽。本书详细阐述了各种损耗机制,包括介电损耗、集肤效应、邻近效应,并提供了计算和补偿这些损耗的方法。 时序问题: 信号时序的准确性直接影响到数字系统的正常工作。本书分析了信号失真(如过冲、下冲、振铃、上升/下降时间变化)对时序裕量的影响,以及如何通过SI分析来确保时序的可靠性。 眼图分析: 眼图是评估信号质量最直观的工具之一。本书详细介绍了眼图的构成,如何解读眼图中的各项参数(如眼高、眼宽、抖动),以及如何利用眼图来诊断和优化信号质量。 抖动(Jitter)分析: 抖动是信号时序不确定性的量化表示。本书深入探讨了抖动的分类(随机抖动、确定性抖动)、抖动预算的建立,以及如何通过SI分析来控制和减小抖动。 回流路径分析: 信号的完整性与其回流路径的质量密切相关。本书强调了回流路径对阻抗、串扰和EMI的影响,并提供了优化回流路径的指导。 电源完整性(PI)的关键技术: 电源分配网络(PDN)的建模: PDN是连接电源和芯片内部逻辑电路的关键通路。本书详细讲解了PDN的建模方法,包括使用RLC模型来描述PDN的阻抗特性。 PDN阻抗与噪声: PDN的阻抗直接决定了其向芯片内部活动负载提供稳定电压的能力。本书深入分析了PDN阻抗随频率的变化,以及PDN阻抗过高如何导致电压跌落(VR drop)和电源噪声。 去耦电容的选型与布局: 去耦电容是改善PDN性能、抑制电源噪声的重要手段。本书详细讲解了不同类型去耦电容(陶瓷电容、钽电容等)的特性,以及如何根据频率响应、ESR、ESL等参数进行选型,并给出了有效的去耦电容布局策略。 电源噪声与瞬态响应: 芯片在不同工作状态下对电源的需求会发生快速变化,这种变化会引起电源噪声和瞬态电压变化。本书分析了这些噪声的产生机制,并提供了通过优化PDN设计和去耦措施来减小这些噪声的方法。 VRM(Voltage Regulator Module)设计与优化: VRM是为芯片提供稳定工作电压的关键模块。本书探讨了VRM的设计考虑,以及如何通过其瞬态响应和稳定性来保证PDN的整体性能。 仿真与测量技术的融合: EDA工具的使用: 现代高速设计的SI/PI分析离不开强大的EDA(Electronic Design Automation)工具。本书详细介绍了业界主流的SI/PI仿真工具的原理和使用方法,包括建模、设置仿真参数、结果分析等。 仿真与测量的验证: 仿真结果的准确性需要通过实际测量来验证。本书介绍了SI/PI相关的测量仪器(如示波器、网络分析仪)和测量方法,强调了仿真与测量相结合的重要性。 模型提取与校准: 为了获得准确的仿真结果,需要精确的器件模型和PCB模型。本书讲解了如何提取PCB的寄生参数,以及如何利用测量数据对仿真模型进行校准。 实际应用与案例分析: PCB设计指南: 本书提供了大量实用的PCB设计指南,涵盖了信号走线、过孔、接地、电源平面、信号完整性区域划分等关键方面,帮助读者将理论知识转化为实际设计。 案例研究: 通过对实际的硬件设计案例进行深入剖析,读者可以更直观地理解SI/PI问题的产生、分析过程和解决方案,从而触类旁通,解决自己设计中遇到的难题。 新兴技术与未来趋势: 随着通信速率的不断提升和系统复杂度的增加,SI/PI分析面临着新的挑战。本书也对一些新兴技术,如SerDes设计、高频连接器、封装效应等进行了探讨,并展望了SI/PI分析的未来发展趋势。 本书的独特价值 理论与实践的完美结合: 本书不仅提供了扎实的理论基础,更注重将理论知识转化为可操作的工程实践。大量的工程经验和设计技巧贯穿全书,使读者能够快速掌握实际应用技能。 循序渐进的讲解方式: 从基础概念到复杂问题,本书的讲解逻辑清晰,循序渐进,适合不同层次的读者。即使是初学者,也能在作者的引导下逐步深入理解SI/PI的精髓。 全面覆盖的知识体系: 本书几乎涵盖了SI/PI分析的所有重要主题,为读者构建了一个完整的知识框架,避免了“碎片化”的学习。 紧跟行业前沿: 第二版及时更新了最新的技术和方法,反映了当前高速数字设计领域的最新发展动态,确保了内容的实用性和前瞻性。 注重细节与工程化: 书中对许多细节问题进行了深入探讨,例如过孔的寄生效应、PCB板材的选择、不同封装对SI/PI的影响等,这些往往是决定设计成败的关键。 谁将从本书中受益? 硬件工程师/PCB设计师: 掌握SI/PI分析技术,能够设计出性能稳定、可靠性高的PCB,避免反复返工。 嵌入式系统开发者: 深入理解信号的传播特性,优化系统性能,提升产品竞争力。 通信和网络设备工程师: 在高速数据传输设计中,SI/PI是绕不开的关键技术。 汽车电子和航空航天工程师: 对可靠性和性能要求极高的领域,SI/PI分析尤为重要。 FPGA/ASIC设计人员: 芯片内部的信号完整性和电源完整性也需要考虑,本书的内容能提供有益的参考。 在校学生和研究人员: 为深入学习和研究高速数字电路设计提供了系统性的教材和参考。 结语 在电子产品性能不断攀升的时代,对信号完整性和电源完整性的深刻理解已成为衡量工程师专业能力的重要标准。本书《信号完整性与电源完整性分析 (第2版)》将是您在这条充满挑战但也机遇无限的道路上,不可或缺的得力助手。通过本书的学习,您将能够自信地面对高速信号带来的挑战,设计出更优秀、更可靠的电子产品,在激烈的市场竞争中脱颖而出。