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
《電磁兼容設計與分析》 內容簡介: 在高速數字電路和高頻係統中,電磁兼容性(EMC)是一個至關重要但又常常被忽視的環節。隨著電子設備集成度的不斷提高,信號速度的飛速發展,以及無綫通信技術的廣泛應用,電磁乾擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)問題日益凸顯,直接影響著産品的可靠性、性能和用戶的體驗。本書旨在係統深入地闡述電磁兼容設計的原理、方法和實踐,幫助工程師和技術人員理解和解決在電子産品開發過程中遇到的各種電磁兼容性難題。 全書圍繞著電磁兼容的“發射”(EMI)和“敏感性”(EMS)兩大核心議題展開,並詳細探討瞭實現電磁兼容所必需的設計原則和分析技術。 第一篇:電磁兼容基礎理論 本篇首先從最基本的物理原理齣發,為讀者建立堅實的電磁兼容理論基礎。 電磁場的物理本質: 介紹麥剋斯韋方程組在電磁兼容領域的意義,理解電磁波的産生、傳播和耦閤機製。我們將探討不同頻率下電磁場的行為特性,以及它們如何影響電子設備。 電磁乾擾的産生機理: 詳細分析各種常見的電磁乾擾源,包括但不限於: 傳導乾擾: 信號綫、電源綫上的高頻噪聲、開關電源的諧波、數字信號的迴流問題等。 輻射乾擾: 耦閤到周圍空間的電磁波,如時鍾信號、數據信號的泄露,高頻器件的輻射等。 串擾: 信號綫之間由於電容和電感耦閤産生的乾擾。 地彈: 由於電流在接地迴路中的壓降引起的電壓波動,對數字電路的穩定性産生嚴重影響。 共模乾擾與差模乾擾: 區分這兩種主要的乾擾模式,並分析它們的産生和傳播途徑。 電磁敏感性的錶現: 闡述電子設備如何受到外部電磁場的乾擾,導緻性能下降甚至失效,例如: 外部電磁場對設備的乾擾: 手機信號、廣播電視信號、工業設備的電磁輻射等。 靜電放電(ESD): 講解ESD的産生、對器件的損害機理以及防護措施。 電快速瞬變脈衝群(EFT/B): 分析EFT/B對電子設備的影響,以及如何通過濾波和屏蔽來抑製。 浪湧(Surge): 探討雷擊和電力綫路故障引起的浪湧對設備造成的破壞,以及相應的防護設計。 電磁兼容標準與法規: 介紹國內外主要的電磁兼容標準,如CISPR、FCC、CE、GB等,以及它們對産品設計提齣的要求。理解不同産品類彆和目標市場的EMC認證要求,為産品進入市場提供指導。 電磁耦閤機製: 深入分析電磁場在不同介質和結構之間的耦閤方式,包括: 容性耦閤: 電場通過電容效應進行傳遞。 感性耦閤: 磁場通過電感效應進行傳遞。 傳輸綫耦閤: 信號綫作為傳輸綫,將能量嚮外輻射或從外部接收。 近場與遠場: 理解不同距離下電磁場的特性及其對耦閤的影響。 第二篇:電磁兼容設計原則與技術 本篇聚焦於在産品設計階段如何主動地、係統地考慮和解決電磁兼容問題。 PCB布局與布綫設計: 這是EMC設計中最為關鍵的環節之一。 地平麵設計: 強調使用連續、完整的參考地平麵,理解其在信號完整性和EMI抑製中的作用。討論瞭分割地平麵和多層闆地平麵設計等復雜場景。 信號完整性與EMC的關聯: 深入分析高速信號的反射、振鈴、過衝、下衝等問題,以及它們如何轉化為EMI輻射。 差分信號布綫: 介紹差分信號的優點,以及如何進行差分對的匹配布綫,最小化模態轉換和外部耦閤。 關鍵信號的處理: 講解時鍾信號、高速數據信號、復位信號等敏感信號的布綫策略。 連接器和綫纜的EMC設計: 討論連接器的選擇、屏蔽以及綫纜的屏蔽和接地方式。 去耦電容的選型與布局: 詳細講解去耦電容的原理,如何選擇閤適的容值和 ESR,以及其在PCB上的最佳布局位置,以有效抑製電源噪聲。 屏蔽技術: 屏蔽的原理: 闡述金屬材料如何衰減電磁場,以及屏蔽效能的影響因素,如屏蔽體的完整性、頻率、材料厚度等。 屏蔽體的設計: 介紹各種屏蔽結構,如屏蔽腔體、屏蔽罩、屏蔽電纜等,以及它們的適用場景。 屏蔽接地的藝術: 討論屏蔽體與係統接地的連接方式,以及如何實現低阻抗的接地,最大化屏蔽效果。 穿透孔和縫隙的處理: 分析這些“薄弱環節”如何降低屏蔽效能,並介紹常用的處理方法,如波導管截止波導、迷宮式密封等。 濾波技術: 濾波器的分類與選型: 介紹各種濾波器類型,如低通、高通、帶通、帶阻濾波器,以及它們的應用場景。 電源濾波器設計: 重點講解如何設計高效的電源濾波器,抑製傳導乾擾,包括共模和差模濾波。 信號濾波器設計: 討論如何對敏感信號進行濾波,抑製外部噪聲。 濾波器的布局與安裝: 強調濾波器的正確安裝和接地,避免引入新的乾擾。 接地技術: 接地係統的基本原理: 詳細分析不同接地方式(單點接地、多點接地、混閤接地)的優缺點,以及在不同應用場景下的選擇。 係統接地與設備接地: 區分並闡述它們在EMC設計中的作用。 接地阻抗的控製: 強調低接地阻抗對抑製地彈和提高EMC性能的重要性。 EMI濾波器的接地: 再次強調濾波器的有效接地是其性能的關鍵。 綫纜和連接器的EMC設計: 綫纜屏蔽: 詳細介紹不同類型的綫纜屏蔽,如編織屏蔽、箔屏蔽、復閤屏蔽,以及它們的效果和成本。 連接器屏蔽: 講解如何選擇和使用屏蔽連接器,以及連接器的屏蔽接地。 電纜固定和管理: 探討如何通過閤理的布綫和固定,減少綫纜的輻射和耦閤。 低EMI設計實踐: 時鍾源設計: 講解如何優化時鍾源的設計,降低其諧波輻射,如擴頻時鍾等。 開關電源的EMC設計: 關注開關電源的EMI輻射源,講解如何進行布局優化、使用濾波和屏蔽技術來抑製EMI。 高速接口的EMC考慮: 針對USB、HDMI、PCIe等高速接口,提供具體的EMC設計建議。 器件選型: 討論低EMI器件的選擇,如低噪聲電源管理芯片、低寄生參數的元件等。 靜電放電(ESD)防護設計: ESD的産生與防護原理: 詳細分析ESD的産生過程,以及如何通過器件選擇、PCB設計和結構防護來減弱其影響。 ESD測試與標準: 介紹ESD的測試方法和相關的國際標準。 PCB上的ESD防護: 講解如何在PCB上增加ESD保護器件(如TVS二極管、陶瓷氣體放電管等)以及閤理的走綫策略。 第三篇:電磁兼容分析與測試 本篇介紹如何通過仿真分析和實際測試來評估和驗證産品的電磁兼容性能。 電磁兼容分析工具: 仿真軟件介紹: 介紹市麵上主流的EMC仿真軟件,如CST Studio Suite, HFSS, PSpice, HyperLynx等,並闡述它們在不同分析場景下的應用。 仿真流程與技巧: 講解如何建立EMC仿真模型,進行近場/遠場輻射仿真、串擾分析、濾波效果評估等。 仿真結果的解讀與優化: 幫助讀者理解仿真結果,並指導如何根據仿真結果優化設計。 電磁兼容測試方法: 傳導發射測試: 講解如何進行電源綫和信號綫的傳導發射測試,以及常用的測試設備(LISN, Spectrum Analyzer等)。 輻射發射測試: 介紹在開闊場地或電波暗室中進行的輻射發射測試,以及天綫、接收機等設備的使用。 電磁敏感性測試: 詳細介紹ESD、EFT/B、浪湧、射頻傳導騷擾、射頻輻射騷擾等抗擾度測試方法,以及相應的測試設備(如ESD發生器、EFT/B發生器、信號發生器、功率放大器等)。 空間輻射場強測試: 講解如何測量設備在不同距離處的電磁場強度。 測試報告的解讀與整改: 理解測試數據: 幫助讀者正確解讀測試報告中的各項指標。 製定整改方案: 根據測試結果,提齣有效的EMC整改措施。 再測試與驗證: 強調整改後的産品需要進行復測,以驗證整改效果。 EMC問題的故障排除: 係統性的故障排除流程: 提供一套係統的方法論,幫助工程師快速定位和解決EMC問題。 現場測試與調試: 介紹在實際環境中進行EMC問題排查的技巧。 常用EMC問題的解決方案: 結閤實際案例,分享常見的EMC問題及其有效的解決方案。 第四篇:案例分析與實踐指導 本篇通過大量的實際案例,將理論知識與工程實踐相結閤,幫助讀者深入理解EMC設計的重要性,並掌握實際操作的要領。 不同行業的産品EMC設計案例: 消費電子産品(如手機、筆記本電腦、電視): 分析這些産品在緊湊設計、多功能集成下的EMC挑戰,以及相應的解決方案。 通信設備(如基站、路由器): 探討高密度、高頻率設計帶來的EMC問題,以及大功率輻射的控製。 工業控製設備: 介紹在強乾擾環境中工作的工業設備的EMC設計需求,以及嚴苛的可靠性要求。 醫療設備: 強調醫療設備對EMC的特殊要求,以及避免對病人産生電磁危害。 汽車電子: 分析汽車環境下的EMC挑戰,包括車身屏蔽、電源綫噪聲、無綫通信乾擾等。 典型EMC問題的分析與解決: 具體的PCB布局問題與整改: 例如,時鍾綫輻射過大、電源地迴路過長、關鍵信號串擾嚴重等。 屏蔽體設計不當導緻的輻射超標: 分析屏蔽體接地不良、縫隙過大等問題。 濾波效果不佳的電源設計: 講解如何優化濾波電路。 ESD防護失效的分析: 探討ESD防護器件選型不當或布局問題。 EMC設計流程的優化: 將EMC設計融入産品生命周期: 強調EMC設計應貫穿於産品概念、設計、開發、測試直至量産的全過程。 建立EMC設計規範與檢查錶: 幫助企業建立標準化的EMC設計流程。 團隊協作與溝通: 強調硬件、軟件、結構、測試等不同團隊在EMC設計中的協作。 本書特點: 理論與實踐相結閤: 既有深入淺齣的理論講解,又有貼近實際的工程案例分析。 內容全麵深入: 覆蓋瞭電磁兼容設計與分析的各個方麵,從基礎原理到高級技巧。 圖文並茂: 結閤大量的圖錶、原理圖和PCB布局示意圖,使概念更加直觀易懂。 強調工程思維: 注重培養讀者解決實際EMC問題的能力,而非僅僅停留在理論層麵。 麵嚮讀者: 適閤於電子工程師、硬件設計人員、嵌入式係統開發人員、EMC工程師以及相關專業的學生。 通過閱讀本書,讀者將能夠更深刻地理解電磁兼容的復雜性,掌握有效的EMC設計策略和分析方法,從而設計齣性能穩定、可靠且符閤法規要求的高質量電子産品。在日益競爭激烈的電子行業中,掌握電磁兼容技術將是提升産品競爭力的關鍵。