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編輯推薦

　　

　　《PCB電流與信號完整性設計》是PCB設計領域大師Brooks的新力作，融理論與工程實踐於一體，全麵闡述瞭PCB上電流的性質和流動規律，探討瞭現代PCB設計中的特殊問題，詳細論述瞭由電流引起的信號完整性問題，提齣瞭實用的設計方案。本書既適閤於PCB設計工程師閱讀，也可作為相關專業高年級本科生和研究生的參考教材。

　　《PCB電流與信號完整性設計》特色

　　簡化數學論證，論述直觀生動。從評述電流的性質開始，闡述瞭基本電路中的電流流動規律及其作用，討論瞭電壓源和電流源，解決瞭與PCB相關的特有問題。

　　直麵實際問題，講解通俗易懂。針對PCB設計實踐中的由電流引起的諸如串擾、EMI、趨膚效應、過孔等信號完整性問題，富有啓發性地總結瞭相關解決方案。

　　緊跟技術發展，洞悉解決方案。針對當前PCB互聯平颱提齣瞭應對甚高頻諧波和極短波長的復雜挑戰的方案。

內容簡介

　　《PCB電流與信號完整性設計》著重物理概念，避免復雜的數學推導，闡述瞭基本電路的電流源、電流造成的信號完整性問題，以及如何解決串擾和電磁乾擾問題。主要內容包括：溫度、PCB傳輸綫、反射、耦閤電流、功率分配、趨膚效應、介電損耗和通孔等，並給齣瞭每個常見問題的實用設計方案。本書適閤作為電子與通信工程及其相關專業的教材。對於從事集成電路設計、係統設計的工程技術人員來說也是一本很好的參考書。

作者簡介

　　Douglas Brooks， 曾獲斯坦福大學電子與電氣工程專業學士和碩士學位，華盛頓大學的博士學位。他有40餘年的電子行業從業經驗，涉及的職位小到空間項目的電路設計工程師，大到UltraCAD公司的總裁，這也是他自己的公司，在過去的20餘年裏，他一直在這傢西北太平洋地區領先的PCB設計服務公司裏擔任總裁。

　　Brooks在職業生涯中發錶瞭數百篇文章。在2003年，他還齣版瞭《Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design 》（Prentice Hall）一書。

　　Brooks在聖地亞哥州立大學任教過三年，還在華盛頓大學擔任過一年的訪問副教授。在過去超過15年的時間裏，他在世界各地舉辦瞭大量有關PCB設計中信號完整性的研討會。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
第一部分　電流的性質
第1章　電子和電荷 2
1.1　電子流 2
1.2　原子結構 3
1.3　絕緣體 4
1.4　電荷場 4
1.5　磁場 5
1.6　驅動電流的力 6
1.7　電壓與電流 8
1.8　電流方嚮 9
1.9　半導體空穴流 9
第2章　基本的電流概念 11
2.1　電流類型 11
2.2　傳播速度 16
2.3　電路的時序問題 18
2.4　電流的度量 20
2.5　測量技術 28
2.6　熱、噪聲和電流閾值 32
第3章　基本的電流定律 34
3.1　電流在迴路中流動 34
3.2　迴路中的電流處處恒定 34
3.3　歐姆定律 35
3.4　基爾霍夫第一定律 36
3.5　基爾霍夫第二定律 37
第二部分　基本電路中電流的流動
第4章　電阻電路 40
4.1　電阻率 40
4.2　電阻的電流和相位 41
4.3　串聯電阻 42
4.4　並聯電阻 42
4.5　功率和能量 43
4.6　電阻分壓器 44
第5章　電抗電路：電容器和電容 46
5.1　電容的性質 46
5.2　電容的定義 46
5.3　電流“通過”電容器 47
5.4　AC電流“通過”電容器 47
5.5　位移電流 48
5.6　電容的歐姆定律 48
5.7　容抗與頻率的關係圖 49
5.8　電容的相移 49
5.9　電容器的組閤形式 51
5.10　電容器功耗 52
5.11　電容公式 52
第6章　電抗電路：電感器和電感 53
6.1　電感的性質 53
6.2　電感的定義 54
6.3　DC電流“通過”電感器 55
6.4　AC電流“通過”電感器 55
6.5　電感的歐姆定律 56
6.6　感抗與頻率的關係圖 56
6.7　電感相移 57
6.8　電感器的組閤形式 58
6.9　電感器功耗 59
6.10　電感的一般公式 59
6.11　趨膚效應 59
第7章　電抗電路：諧振 61
7.1　串聯諧振 61
7.2　並聯諧振 63
第8章　阻抗 65
8.1　阻抗的含義 65
8.2　阻抗的大小 65
8.3　阻抗相位 67
8.4　串聯RLC電路示例 69
8.5　並聯RLC電路示例 72
8.6　功率因數 74
8.7　諧振時的RLC電路 74
8.8　諧振點附近R的影響 75
8.9　阻抗的組閤形式 76
第9章　實際元件和寄生效應 78
9.1　電阻器 78
9.2　電感器 78
9.3　電容器 79
9.4　元件間的耦閤 79
9.5　自諧振 79
第10章　時間常數和濾波器 83
10.1　RC時間常數 83
10.2　L/R時間常數 86
10.3　RC濾波器 88
10.4　品質因數Q 91
第11章　變壓器 93
11.1　磁場迴顧 93
11.2　耦閤效率—鐵心 95
11.3　耦閤效率—頻率限製 95
11.4　耦閤效應—匝數比 96
11.5　電流和阻抗比 97
11.6　變壓器損失和效率 98
11.7　繞組極性：楞次定律 99
第12章　差分電流 100
12.1　概念 100
12.2　一些說明 101
12.3　差模和共模（奇模和偶模） 102
12.4　模式轉移或轉換 103
第13章　半導體 105
13.1　電子殼層迴顧 105
13.2　半導體摻雜 105
13.3　半導體二極管結 106
13.4　齊納二極管 107
13.5　通過二極管的電流 108
13.6　雙極晶體管 109
13.7　場效應晶體管 110
第三部分　電壓源和電流源
第14章　電壓源和電流源 114
14.1　基本電壓源和電流源 114
14.2　理想電壓源和電流源 114
14.3　等效電路 114
第四部分　電路闆上的電流
第15章　電流在電路闆上的流動 118
15.1　信號電流 118
15.2　電源電流 118
15.3　返迴電流 119
第16章　電流和走綫溫度 120
16.1　基本概念 120
16.2　曆史背景 121
16.3　各種關係 122
16.4　熔斷電流 123
第17章　電流反射 124
17.1　一個命題 124
17.2　基本問題 124
17.3　臨界長度 125
17.4　傳輸綫 126
17.5　終端 128
17.6　反射係數 129
17.7　耦閤影響阻抗的方式 130
17.8　電流如何流動 134
17.9　差分電流如何流動 135
第18章　耦閤電流/EMI/串擾 137
18.1　基本概念 137
18.2　天綫 138
18.3　EMI 139
18.4　串擾 140
第19章　電流分布和旁路電容 147
19.1　問題的本質 147
19.2　傳統方法 149
19.3　電源分布阻抗方法 150
19.4　采用哪種方法 155
第20章　隨頻率變化的電阻和有損傳輸綫 157
20.1　趨膚效應 157
20.2　介質損耗 160
20.3　傳輸綫損耗 161
第21章　電流和過孔 164
21.1　過孔功耗 164
21.2　過孔電感 165
21.3　過孔特徵阻抗 166
21.4　過孔內的反射 167
21.5　盲孔和埋孔 169
第22章　電流和信號完整性 170
22.1　曆史視角 170
22.2　PCB設計規則 171
22.3　差分走綫設計規則 176
22.4　過孔設計規則 177
22.5　相信這些設計規則的原因 177
附錄A　電流和麥剋斯韋 179
附錄B　眼圖 181
附錄C　電路闆的消亡 183

前言/序言

　　我大部分的職業生涯都是在電子行業的各種崗位上度過的，最近20年一直從事與印製電路闆設計有關的工作，這令我感到非常開心，通過寫文章和研討會報告，也結識瞭許多業內人士。我很幸運地受邀參與全球各地的研討會。同行們對我也一直很好。　　優秀的PCB設計人員是具有齣色圖形認知能力的藝術傢。這麼多年後，我依然驚奇於設計師觀看計算機屏幕、抓取走綫的始端，然後布放走綫、通過眾多的等效屏幕使其到達綫網的另一端的纔能，並且他們總是能精確地知道自己在哪兒。完成後的電路闆看上去美極瞭，幾乎就是一件藝術品。這個工作有時被貶低為“點的連接而已”，但其實它遠不止如此。　　最近20年來，PCB設計人員不得不麵對另一類需求。電路闆已經開始像一個具有電阻、電容和電感的組件，而不僅僅是一個互連平颱。因此PCB設計者需要對電子元器件和電流有所瞭解—不需要很多，不必成為工程師，但確實應該知道工程師所知道的很多知識。　　在學術訪問期間觸動我的是，即使PCB設計師能夠處理很復雜的電路和要求，他們也很少有人受過正規的電子學訓練，因此即使走綫的阻抗匹配很重要，他們中的很多人也不知道阻抗的含義。他們必須關心串擾和EMI問題，但卻不知道這些是什麼或是怎麼發生的，當然還有地彈現象。　　在UP傳媒集團Pete Waddell的支持下，我在20世紀90年代早期的好幾個PCB設計展會上開辦瞭基礎電子學方麵的研討會。Prentice Hall在2003年齣版瞭我關於PCB設計的著作Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design，希望這能對很多設計人員提供有用的幫助。雖然我對這些成就感到滿意，但總覺得它不像預想中那麼突齣。　　這種感覺促使我編寫瞭當前這本書。　　主題本書的主題是電流：它是什麼，它怎麼流動，以及它如何起作用。每一章在特定的條件下討論瞭電流的特定性質。　　結構安排本書分為四部分：　　第一部分　電流的性質第二部分　基本電路中電流的流動第三部分　電壓源和電流源第四部分　電路闆上的電流電子學的基本粒子是電子，該領域稱為電子學不是偶然的。宇宙中所有元素都由質子、中子和電子構成。質子帶正電荷，電子帶負電荷。基本粒子（事實上是整個宇宙）是“電荷中性的”，我的意思是，質子和電子的數量幾乎到處相等。　　如果電子不移動，那什麼也不會發生。我們可以有由電荷的定域差引起的靜電場，這些電荷場很重要。但是，直到電子開始在這些場內移動，遊戲纔開始真正有趣。當電子移動時，根據定義我們就有瞭電流，這是電子學的一切所在。　　第一部分包括電流的基本性質。第1章介紹電流（電子流）的基本定義。具體而言，1A電流是1s內通過一個錶麵的6.25×1018個電子的流量。第2章介紹瞭幾個電流概念，從頻率和波形到傳播速度再到電流的測量，以及如何進行這些測量。第3章介紹五個基本的電流定律。　　電流在迴路中流動。　　迴路中的電流處處恒定。　　歐姆定律（電流、電壓和阻抗間的關係）。　　基爾霍夫第一定律（進入節點的電流等於流齣節點的電流）。　　基爾霍夫第二定律（迴路電壓之和為0）。　　重要的是要認識到，即使需要求解最復雜的電路，從概念上說，上述這些就是所需要的一切。AC（交流）和電抗的引入增加瞭電路的復雜性，但從概念上說，增加得並不多。簡單地將一個電路拆為n個獨立的迴路，用基爾霍夫和歐姆定律建立一個聯立方程組，再使用矩陣代數求解。從概念上說，這很直觀（說起來容易），電子與電氣工程（EE）專業的典型課程包含瞭很多這方麵的教材。EE課程體係的其他課程包括瞭如何實際求解那些電路問題和計算的技術。　　第二部分包括各種電路概念，從電阻電路開始，接著是電抗電路（電容和電感），然後是阻抗（將所有這些元件組閤在一起時所發生的）。其餘章節包括時間常數、變壓器、差分電流和半導體等內容。　　重要的是注意到，實際上我們麵對的僅有三種無源元件：電阻、電容和電感。從真正意義上講，這些元件占據瞭頻譜的特殊位置。電容在一端（當頻率趨嚮無窮大時，阻抗趨於0，電壓相移趨於–90°），電感在另一端（當頻率趨嚮無窮大時，阻抗趨於無窮大，相移趨於+90°）。電阻占據兩者之間的特殊位置（阻抗與頻率無關，相移為0）。這三個事實放之四海皆準，永遠不會改變。　　第三部分包括電壓源和電流源。如果我們想得到電流（即電子流），那麼需要知道電子從哪裏來以及如何迫使它們移動。　　第四部分處理由印製電路闆引入的特定問題。大多數（應該承認不是全部）電子係統裏麵都有電路闆。如果頻率足夠高（或者如我指齣的，真正的問題是如果上升時間足夠快），或者電流足夠大，電路闆將會齣現哪些需要處理的特殊問題。　　各章節包括瞭像電流和走綫溫度、傳輸綫和反射、耦閤電流/EMI/串擾）、電流分布、趨膚效應、介質損耗以及過孔等內容。　　最後要說的是，最後一章處理瞭由電流引起的信號完整性問題。在我的職業生涯中，關於電路闆信號完整性問題在電子行業的發展中經曆瞭四個階段。第一個階段微不足道，沒有任何問題；第二個階段主要涉及電路闆自身電感引起的問題；第三個階段涉及高頻引起的視在電阻的變化（即趨膚效應或介質損耗），這些不是真正的電阻改變，但它們的錶現就像是電阻變化瞭；第四個階段發生於諧波頻率非常高以及波長非常短的情況下，以緻在如此短的物理距離內極難求解。第22章介紹瞭處理這些問題的各種設計方法。　　本書還有三個附錄：附錄A涉及麥剋斯韋方程組和位移電流的概念；附錄B介紹並給齣瞭眼圖的簡要解釋；附錄C更多的是個人筆記。在我的職業生涯中，我多次聽說過關於PCB消亡的預測，但每一次他們都錯瞭，且總是由於相同的原因，附錄C給齣瞭我的觀點並解釋瞭理由。　　但當你認識到當今幾乎所有的電子元器件都是在電路闆上互連的，我相信讀者麵看起來就不會窄瞭。無疑，在電視機和計算機中有電路闆，在報警器、灌溉控製、調光器、洗衣機和烘乾機、冰箱、烤箱、定時器、時鍾，以及不計其數的其他産品中也有電路闆，且誰又能數得清現代汽車中有多少塊電路闆呢？讀者對象本書是針對PCB設計人員和可能成為PCB設計人員的人們編寫的。本書沒有嚴格的EE專業學位課程所要求的深度。然而，它對在其他學位課程中重視電子學簡介的學生是有益的。這樣的課程可見於大學層次、貿易學校層次、社區學院或針對現在的設計人員以增加他們基礎知識的特定課程中。不管是什麼原因，對當初在學校裏初次學到的知識已感覺“生疏”的工程師們而言，本書也是有益的。　　本書有意以簡單易懂的方式來寫作，將數學認證最小化。電子學的性質是電子的流動，是隨時間變化的現象，按照定義，這涉及微積分的情形。我敢肯定EE專業的學生在受教育階段學到的微積分知識比他們曾認為的要更多。一些公式的使用是不可避免的，歐姆定律就是其中一個，但我試圖盡量少地使用公式，而僅使用本領域中我認為最重要的那些。　　緻謝我已經在PCB設計行業工作20多年瞭。在這段時間裏，有很多人幫助、指引我成長，因此我也希望尋求有助於該行業和從業人士成長的方式。尤其是Pete Waddell先生鼓勵我先寫些文章，然後開辦研討會，並提供給我進行這些工作的交通工具，本書正是起始於那個早期鼓勵的最終成果。　　在此過程中，很多與我有關的人總是幫助和鼓勵我，我也從中學到瞭很多。他們涉及所有參與關於信號完整性問題研討會的人們，人數太多而難以統計和提及。　　Dave Graves是我滿20年的閤作夥伴，我很感激他這麼多年來的支持和奉獻。我也經常給他看我寫的文章和報告的草稿，我無法告訴你當他的迴應是“不得要領！你在想說什麼？”時，我曾經從頭開始瞭多少次。由於他的評述和支持，一切都變得更好。由於我已經退休瞭，我們也已經在各走各的人生路，但我依然懷念那段友誼。　　我也要感謝三傢供應商，他們這些年來對我的文章和研討會活動提供瞭慷慨的支持。Mentor Graphics公司、HyperLynx公司（現在是Mentor的一部分）和Polar Instruments公司當我需要軟件許可和技術支持時總是隨時給我提供幫助。我感謝他們在進行這些支持時沒有試圖通過任何方式對我施加任何控製。　　我享受書稿的寫作過程，現在完稿瞭，我感慨良多，但有很多人是“真正地”對這個項目的最終完成感到高興，特彆是我非技術背景的妻子，她覺得或許現在我可以真正退休瞭。　　最後，我感謝來自Prentice Hall齣版社的Bernard Goodwin先生的支持和鼓勵，這是他第二次幫助並指導我完成齣版流程，我期望他和讀者一起來判定這一切都是值得的。



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