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內容簡介

　　本書從測量的角度齣發，全麵闡述瞭電源對係統的影響。作者在第1-3章介紹瞭測量基礎、測量原理以及測試基本常識，比如靈敏度、本底噪聲、動態範圍、均值以及衰減器和前置放大器的使用，圍繞各種測量域如頻域、時域、增益、相位以及S參數等展開；第4章以實例介紹瞭如何使用測試設備測量電源完整性；第5章介紹瞭各種探頭；第6章則圍繞電源的分布網絡展開；第8-15章介紹瞭特殊的電源完整性測量方法。

目錄

譯者序
緻謝
第1章　引言 1
1.1　你將從本書學到什麼 1
1.2　誰將從本書受益 2
1.3　本書的通用版式 2
1.3.1　為什麼測量 2
1.3.2　獲得或驗證數據 2
1.3.3　設計、選擇、優化 4
1.3.4　故障診斷 4
1.3.5　確認或驗證 5
1.3.6　術語 6
第2章　測量藝術 7
2.1　無損的原因 7
2.2　不影響結果的測量 7
2.3　驗證測試裝置和測量限製 8
2.4　以高效和直接方式測量 9
2.4.1　非侵入式測量與侵入式測量 9
2.4.2　在綫測量 9
2.4.3　間接測量與直接測量 10
2.5　測量的完整歸檔 10
2.5.1　測試工程師的名字和聯係方式 10
2.5.2　測試的目的 11
2.5.3　仿真或預測的結果是否可用 12
2.5.4　測試日期和物理位置 13
2.5.5　運行測試的環境和條件 13
2.5.6　每種測試設備的名稱（包括探頭）和校準周期 13
2.5.7　裝置的框圖或圖片 13
2.5.8　測量注釋和說明 14
2.5.9　任何觀測到的異常 14
2.5.10　結果和任何後續工作的總結 14
第3章　測量基本原理 15
3.1　靈敏度 15
3.2　本底噪聲 16
3.3　動態範圍 17
3.4　噪聲密度 20
3.5　信號平均 23
3.6　標度 25
3.7　衰減器 27
3.8　前置放大器 28
3.9　測量域 30
3.9.1　頻域 30
3.9.2　增益和相位 30
3.9.3　S參數 30
3.9.4　阻抗 31
3.9.5　時域 31
3.9.6　頻譜域 33
3.9.7　測量域的比較 34
3.10　尾注 36
第4章　測試設備 37
4.1　頻率響應分析儀和矢量網絡分析儀 38
4.1.1　Omicron Lab Bode 100 38
4.1.2　Agilent E5061B 39
4.2　示波器 39
4.2.1　Teledyne Lecroy Waverunner 6 Zi 39
4.2.2　Rohde & Schwarz RTO1044 40
4.2.3　Tektronix DPO7000 41
4.2.4　Tektronix DPO72004B 41
4.2.5　Teledyne Lecroy Wavemaster 8 Zi 41
4.2.6　Tektronix MSO5204 42
4.2.7　Teledyne Lecroy HDO6104 43
4.2.8　Tektronix MDO4104-6 44
4.2.9　Omicron Lab ISAQ 100 44
4.3　頻譜分析儀 45
4.3.1　Tektronix RSA5106A 45
4.3.2　Agilent N9020A 46
4.3.3　Agilent E5052B 46
4.4　信號發生器 47
4.5　TDR/TDT S參數分析儀 48
4.5.1　Picotest G5100A 48
4.5.2　Tektronix DSA8300/80E10 48
4.5.3　Teledyne Lecroy SPARQ 4012E 50
4.5.4　Agilent E5071C 50
第5章　探頭、注入器和互連 52
5.1　電壓探頭 52
5.1.1　探頭電路相互影響 53
5.1.2　探頭響應平坦化 55
5.1.3　測量確認 56
5.1.4　選擇電壓探頭 57
5.1.5　無源探頭 58
5.1.6　有源探頭 59
5.1.7　差分探頭 60
5.1.8　特殊探頭 60
5.1.9　其他連接 68
5.2　尾注 68
第6章　分布式係統 69
6.1　電源穩壓器的噪聲路徑 70
6.1.1　內部噪聲 70
6.1.2　電源抑製比 72
6.1.3　輸齣阻抗 74
6.1.4　反嚮傳輸和串擾 74
6.2　控製環路的穩定性 75
6.2.1　對輸齣阻抗的影響 76
6.2.2　對噪聲的影響 76
6.2.3　對電源抑製比的影響 77
6.2.4　對反嚮傳輸的影響 77
6.3　差的穩定性如何傳入係統 78
6.4　尾注 82
第7章　阻抗測量 83
7.1　選擇一種測量方法 83
7.1.1　單端口測量法 83
7.1.2　兩端口測量法 94
7.1.3　電流注入器測量 107
7.1.4　阻抗適配器 108
7.2　尾注 113
第8章　測量穩定性 115
8.1　穩定性及其必要性 115
8.1.1　控製環基礎知識 115
8.1.2　增益裕量、相位裕量、延時裕量以及穩定性裕量 116
8.1.3　伯德圖和奈奎斯特圖 117
8.1.4　開環測量 121
8.1.5　注入設備 122
8.1.6　探頭 124
8.1.7　閉環測量 129
8.1.8　上電和斷電測量 129
8.1.9　正嚮測量 130
8.1.10　小環路增益 130
8.1.11　非侵入式閉環測量 133
8.2　尾注 136
第9章　PSRR測量 137
9.1　測量方法 137
9.1.1　在綫或離綫測量 137
9.1.2　直接或間接測量 138
9.2　輸入調製 138
9.2.1　綫路注入器 139
9.2.2　電流注入器 142
9.2.3　DC放大器 143
9.3　選擇測量域 143
9.3.1　矢量網絡分析儀 143
9.3.2　頻譜分析儀 143
9.3.3　示波器 144
9.3.4　探頭和靈敏度 144
9.4　尾注 150
第10章　反嚮傳輸和串擾 151
10.1　不同拓撲結構的反嚮傳輸 151
10.1.1　串聯綫性穩壓器 151
10.1.2　並聯穩壓器 152
10.1.3　POL穩壓器 153
10.1.4　運算放大器 153
10.2　調製輸齣電流 153
10.2.1　電流注入器 154
10.2.2　DC偏置注入器 154
10.3　測量輸入電流 154
10.4　測量輸入電壓 156
10.5　間接測量 157
10.6　尾注 162
第11章　階躍負載響應測量 163
11.1　瞬態的産生 163
11.1.1　電流注入器和電子負載 163
11.1.2　斜率 164
11.1.3　電流調製波形 166
11.2　測量響應 167
11.2.1　大信號與小信號 168
11.2.2　注意平均 168
11.2.3　采樣率和時間刻度 170
11.3　尾注 175
第12章　測量紋波和噪聲 176
12.1　選擇一種測量方法 176
12.1.1　係統內測量與係統外測量 177
12.1.2　直接測量與間接測量 177
12.1.3　時域測量與頻域測量 177
12.2　互連設備 177
12.2.1　示波器無源探頭 178
12.2.2　示波器有源探頭 178
12.2.3　直接使用50 Ω端接 178
12.3　選擇設備 179
12.4　平均模式和濾波 192
12.5　尾注 193
第13章　邊沿測量 194
13.1　帶寬與上升時間 194
13.1.1　上升時間的級聯 197
13.1.2　工作帶寬與濾波器的影響 200
13.2　采樣率與交錯采樣 202
13.3　內插 203
13.4　同軸電纜 204
13.5　探頭連接的重要性 206
13.6　PCB因素 208
13.7　探頭 208
13.8　尾注 212
第14章　用近場探頭排除故障 213
14.1　電磁輻射基本理論 213
14.2　近場探頭 214
14.3　探頭和方位 215
14.4　測量儀器 217
14.5　頻譜門限 217
14.6　尾注 229
第15章　高頻阻抗測量 230
15.1　時域 230
15.2　校準 231
15.3　參考麵 232
15.4　設置TDR脈衝上升時間 235
15.5　TDR測量結果的分析 237
15.6　評估電感和電容 240
15.7　S參數測量 245
15.8　尾注 247

前言/序言

　　譯　者　序　　正如本書作者所說，寫這本書是一項重大的任務，組織翻譯本書也不簡單。機械工業齣版社的張國強和我是認識多年的朋友，有一天他問我有沒有興趣翻譯市場上最新齣版的一本電源完整性方麵的書籍。對於我這個從未著書立說過的凡夫俗子來說，當然有興趣一試。雖然在多年之前博客盛行的時候，我也從俗寫過幾年的博客，其中也花心思翻譯瞭一些文章，但終歸是不成體係。另一方麵，幾年前也曾經組織翻譯另一本關於電源配送網絡的書籍（作者是Istvan Novak），可惜半途而廢。這一次想著通過翻譯本書，對翻譯一本完整的書籍多少算是一點交代。 　　國內關於這類主題的第一本流行和普及開來的書是Howard Johnson寫於1993年的《高速數字設計》，這本書可以說是真正意義上的信號完整性的開篇之作。這本書齣版後的20年恰好是高速數字電路蓬勃發展的20年，它也因此成瞭無數工程師的工具書和引經據典的必然參考。這本書最早在國內翻譯齣版是10年以後的事，也就是2004年，跟國內的高速發展現狀和需求基本是同步的。當時，華為的高速實驗室剛組建不久，國內還沒形成高速互連這一較細的分工。當然，在此後的幾年裏，高速的概念開始漸漸普及，各種信號完整性書籍陸續翻譯齣版。 　　到目前為止，幾乎稍有規模的通信企業都或多或少地組建瞭高速互連團隊，對信號完整性的認識也相對比較完善瞭，而電源完整性的一些問題則漸漸凸顯，開始提上颱麵。相對於信號完整性來說，電源完整性是既陌生又熟悉的領域。說熟悉是因為所有的電子係統都需要電源，大傢每時每刻都在跟電源打交道；說陌生，是因為對於電源有高要求的場閤，比如低紋波、低噪聲、快速響應等，電源又會成為棘手的問題。對於目前已很常見的高速高密度應用來說，如何滿足電源完整性要求已成為一個挑戰。 　　對於當下的應用來說，低電壓、大電流已成為一個基本趨勢，但恰恰是這一現狀，對電源完整性提齣瞭非常高的要求。你不得不從整個電源配送路徑上考慮問題，尤其是高速芯片BGA區域的電源路徑。這一區域的電源平麵阻抗要求非常苛刻，但你又必須在因密集的扇齣過孔而造成的支離破碎的電源平麵和很難在引腳處加上去的去耦電容現實麵前做齣選擇。也許選用電容材料是個解決思路，但瞬間提高的成本又成為攔路虎。同時，如何很好地確定電源平麵的目標阻抗也是一個難題，並不像書上說得那麼理想，去耦效果和成本之間必須做齣很好的摺中。 　　當然，本書並沒有糾纏在電源平麵阻抗這一細節裏，而是從測量的角度齣發，全麵闡述瞭電源對係統所産生的影響，使得原本比較有針對性的電源完整性這一專業術語，擴展到整個供電路徑上的電源品質和影響這一層麵上。作為一名有10年以上測量經驗的同行來說，我深知測量的意義，尤其是這幾年負責興森快捷的高速實驗室，得益於公司的大力支持，每年花費幾百萬元經費，詳細研究瞭PCB技術對高速鏈路的影響，對於一些書本或網絡上似是而非的結論，完全體會瞭“紙上得來終覺淺，絕知此事須躬行”的古訓。當然，這些研究工作的價值已經在25Gb/s高速互連的各種應用上體現齣來。 　　作為一本基於大量實驗和測試數據的工程書籍，本書的作者並沒有以自己幾十年的工作經驗作為依據，而是為此書付齣瞭大量的精力和金錢，這種齣書的嚴謹態度是值得學習的。尤其是在當下快文泛濫的風氣下，能潛下心來，投入巨大資源，寫一本書是不容易的。恰好這幾年國內的高速芯片也獲得比較快速的發展，封裝和芯片的電源完整性設計已成為專門的職業。本書雖然不是針對封裝和芯片設計來的，但是對於芯片應用層麵來說，仍然具有典型參考意義。 　　當然，得益於這幾年芯片的巨大進步，測量技術也獲得瞭長足的進展，本書中關於測量設備的一些結論有些已經過時，針對這些內容，我們也已做瞭相關的勘誤和補充，以期讓讀者能更全麵更正確地認識電源完整性測量技術。 　　本書的翻譯分工如下：第1章，鄧寶明（網名stupid，下同）；第2、9章，羊楊（阿笨）；第3章，郗亞東（xyd20405）；第4、5章，楊安毅（coziness_yang）；第6、12章，蔣修國（菩提老樹）；第7章，談炯堯（True）；第8章，李勁鬆（Colin）；第10、15章，梁建（qingdalj）；第11章，王澤龍（agrilseven）；第13章，張迪（ingwt）；第14章，蔣方（若華）。最後，全書由梁建、蔣修國、鄧寶明審校。 　　本書有多位譯者，每位譯者的水平和行文風格很難完全一緻，導緻審校小組盡力做瞭修正，但限於譯者水平，書中難免有錯誤和疏漏，懇請讀者批評指正。 　　最後，感謝所有為本書齣版做齣努力的人，同時希望本書能給大傢的工作帶來幫助。 　　鄧寶明緻　　謝寫本書是一項重大的任務。當然寫任何一本書都要費工夫，尤其是需要使用大量必要的儀器進行測量並找到理想的例子。本書中的很多觀點較新，所以很多描述必須非常清晰和簡要。這項工作需要很多人和公司的大力支持。沒有這種支持，我永遠都不可能完成此書。我記錄下瞭為這本書審稿的同行評審專傢並衷心感謝以下公司和個人，如果有被我遺漏的人，我誠懇地嚮他們緻歉。 　　感謝本書編輯Michael McCabe，以及McGraw-Hill的全體同仁，是他們給瞭我機會寫這本書來討論這些尚未得到足夠關注的話題。特彆感謝他們對本書使用彩色印刷。感謝本書的項目經理Kritika Kaushik，她做瞭大量的工作纔使本書麵世。 　　感謝我的好友和長期的生意夥伴Charles Hymowitz—— Picotest負責銷售和市場的副總，AEi Systems公司的CEO。他讀瞭每一頁，並做齣修改或給齣建議，還提齣瞭很多建設性的意見。這裏不再贅言，總之十分感謝。 　　作為朋友和銷售夥伴，Omicron Lab的Bernhard Baumgartner、Florian H?mmerle和Wolfgang Schenk提供瞭一如既往的支持，包括用他們的設備進行無損測量，感謝他們的有益意見和建議。 　　Tektronix公司的Mark Roberts、Stacy Hoffacker、Mike Mende、Amy Higgins和Tom Lenihan給瞭我很大幫助，無論是討論設備，迴答問題，還是安排租賃儀器的運送。他們也提供瞭很多意見和建議。 　　Agilent科技有限公司的David Tanaka、Yasuhiro Mori、Eileen Meenan和Hiroshi Kanda，不僅對他們的設備提供瞭豐富的技術資料，還樂於與我分享這些知識。同時感謝他們提供外藉儀器的運送。 　　Rohde & Schwarz公司的Dan Burtraw、 David Rishavy和Mike Schnecker把他們的RTO1044示波器藉給我，迴答瞭很多問題，提供瞭很多真知灼見。 　　Teledyne Lecroy公司的Bob Hahnke、Steve Murphy、Stephen Mueller和Kathleen Woods提供瞭演示設備，並給齣瞭意見和建議。 　　Picotest公司的Hawk Shang慷慨提供瞭精密的通用儀器，包括Picotest信號注入器。感謝他所做的一切。 　　Power Electronic Measurement公司的Chris Hewson提供瞭本書中使用的CWT015探頭，並總體上迴答瞭我關於Rogowski電流探頭的問題。 　　AEi Systems公司的Paul Ho、Nazila Arefazar、Cesar Redon、Gordon Leverich、Michael Lui、Shivam Patel、Sahar Sadeghi、Josh Behdad、John Aschennbrenner和Tom Boehler，以及How2Power.com的Dave Morrison，感謝你們的意見和建議。感謝AEi Systems公司的Tim Guzman提供的圖片。 　　Shawn Winchester和Artescapes提高瞭本書的示波器和頻譜分析儀圖片的質量，使它們更加清晰而直觀。Shawn還負責Picotest的日常運營，好讓我專心寫書。 　　對所有的朋友說一聲感謝，沒有你們就沒有這本書。 　　圖片來源：Elena Schweitzer/123RF.com在2013年5月遊玩奧地利期間，我和Bernhard Baumgartner、我女兒Rachel Sandler以及其他一些人在一座中世紀城堡用餐，我們討論瞭在當下如何讓書籍暢銷的問題。最後的結論是：為瞭實現這個目標，本書必須有龍。不是其他龍，而是中世紀的龍。我不迷信，但我希望用下圖帶來好運，使本書更暢銷。
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