信號完整性與電源完整性分析(第三版)（簡體書）

本書全面論述了信號完整性與電源完整性問題。主要講述信號與電源完整性分析及物理設計概論，4類信號與電源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，求解信號與電源完整性問題的4種實用技術途徑，推導和仿真背後隱藏的解決方案，以及改進信號與電源完整性的推薦設計準則等。本書還討論了信號與電源完整性中S參數的應用問題，並給出了電源分配網絡的設計實例。書中每章都添加了複習題，並在附錄D中給出了答案。本書強調直覺理解、實用工具和工程素養。作者以實踐專家的視角指出造成信號與電源完整性問題的根源，並特別給出了設計階段前期的問題解決方案。本書是面向電子行業設計工程師和產品負責人的一本具有實用價值的參考書，研讀此書有助於在信號與電源完整性問題出現之前提前發現並及早加以解決。同時，本書也可作為相關專業本科生及研究生的教學用書。

李玉山
西安電子科技大學教學督導，教育部“超高速電路設計與電磁兼容”重點實驗室學術委員。主持完成1項國家863計劃和4項國家自然基金項目，主持制定中國電子行業標準3部，獲省部級獎勵10項。在IEEE Trans.上發表論文18篇，出版教材、專著或譯著16部。研究方向為超高速電路設計與電氣完整性分析，EDA技術及軟件研發。

本書彙集了Eric Bogatin在設計中如何發現、修復和避免信號完整性問題的新技術。Bogatin以面向工程師、研究生的培訓教材為藍本，系統地闡釋了信號完整性、電源完整性及電磁兼容性等六類電氣完整性問題的表像與根源，展示了在高速電路研發前期如何採用最佳準則和技術預防並排除各種不完整問題。書中強調直覺理解、實用工具和工程素養，並未偏重於嚴密的數學論證推導。為了加深理解、評判與檢測能力，第三版的各章末尾都增列了複習題，並在附錄D給出了答案。Bogatin基於指導130多名研究生的經驗，新增許多高速串行鏈路的內容，並展示了更多免費軟件工具示例。

本書彙集了Eric Bogatin在設計中如何發現、修復和避免信號完整性問題的新技術。Bogatin以面向工程師、研究生的培訓教材為藍本，系統地闡釋了信號完整性、電源完整性及電磁兼容性等六類電氣完整性問題的表像與根源，展示了在高速電路研發前期如何採用最佳準則和技術預防並排除各種不完整問題。書中強調直覺理解、實用工具和工程素養，並未偏重於嚴密的數學論證推導。為了加深理解、評判與檢測能力，第三版的各章末尾都增列了複習題，並在附錄D給出了答案。Bogatin基於指導130多名研究生的經驗，新增許多高速串行鏈路的內容，並展示了更多免費軟件工具示例。

內容特色
●全新的信號完整性及物理設計概論
●不同的設計和工藝對電源分配網絡的性能的改善或破壞
●平面阻抗、擴散電感、去耦電容器、電容器的回路電感等重要概念
●分析電阻、電容、電感和阻抗的實用技術
●採用電路仿真器QUCS預測受互連阻抗影響的源電壓波形
●應用免費動畫工具識別反射和串擾
●求解信號完整性問題的途徑：經驗法則、解析近似、數值仿真和測量
●理解互連的物理設計如何影響信號完整性
●對差分對及其損耗的管控技術
●在高速串行鏈路中應用S參數的全部功能
●用於高速串行鏈路設計、差分對及其損耗分析的眼圖新技巧
●在整個電源配送路徑中確保電源完整性
●改善信號完整性的實用設計指南


譯 者 序
廣義信號完整性，又稱為電氣完整性(Electrical Integrity)，是指所有與數字信號完整性相關的分析與設計技術，其中包括信號的波形噪聲和時序抖動，電源的地彈和紋波，以及場與路之間的干擾和抗干擾等。
2003年9月，Eric Bogatin所著的本書第一版問世，其深入淺出、雅俗共賞的大家風範得到讀者的一致好評。其中譯本自2005年出版後，深受中國廣大工程技術人員的普遍歡迎。
當前，國內對信號完整性的研究開發堪稱鬥轉星移，讀者對國外著作的需求也已今非昔比。因此，我們依然珍惜這次第三版中譯本的出版契機。本著為讀者呈現精品的宗旨，結合譯者15年間採用本書前兩版的教學體驗，推敲琢磨，竭力使譯文更好地貼近“信、達、雅”的準則，少留缺憾。
與本書第一版相比，第二版新增了第12章和第13章，將信號完整性拓展到電源完整性領域。第三版除了對正文的斟酌更新、補充完善和拓展延伸，在每章的末尾都添加了複習題，並在附錄D中給出了複習題的參考答案。這樣，讀者在學習時可以加入考查環節，以厘清對內容的理解，並嘗試採用分析技術有針對性地解決工程問題。目前，廣義信號完整性分析與設計技術已被國內業界掌握並應用，然而這一研發領域仍有不斷深化的空間和提升的前景。
第三版的翻譯工作仍由西安電子科技大學電路CAD研究所裡研究信號完整性的教師和部分博士生、碩士生共同完成，並由李玉山統稿、審校和定稿。參與翻譯的人員有：劉洋、初秀琴、路建民、王君、李先銳、尚玉玲、董巧玲等。另外，索之玲、尋建暉、辛東金、戴翔宇、張超余、張文博、趙國榮等參加了部分相關工作，在此一併表示感謝。電子工業出版社馬嵐編輯的使命感和敬業風範是本書出版的品質保障。
本書的出版得到國家自然科學基金（No.61871453、No.61501345、No.61301067、No.61102012、No.60871072和No.60672027）、教育部博士點基金（No.20050701002）、教育部“超高速電路設計與電磁兼容”重點實驗室基金、西電是德(Keysight)高速電路信號完整性聯合實驗室，以及西安電子科技大學研究生院的立項資助。懇切希望讀者在學習及使用中予以檢視和指正！
本書適合作為電子通信類學科專業博士生、碩士生或本科生的“信號完整性分析”課程的教材。此外，本書也適合作為電子系統與電路設計工程師解決電氣完整性問題的技術參考書。

李玉山2019年1月于西安電子科技大學

第三版前言

與本書第二版相比，第三版有一個非常重要的增補：在每一章末尾都附上一批重點考查題，籍以加深讀者對本書知識的理解。
大學生和工程師將受益于這個契機，認真查看自己是否掌握了每一章的重要信息，並學會運用這些原理去解決實際問題。
自從本書第二版出版以來，信號完整性和電源完整性的原理及應用並未改變。當我在世界各地對這些主題發表演講時，我發現其中的基本原理比以往任何時候都更重要。
我常常驚訝地發現，即使實際問題很複雜，也能採用基本的工程原理和簡單的評判方法加以解決，並獲得更昇華的新見解。這就是本書的重點和特點。
本書的第一版和第二版是以為世界各地成千上萬工程師們開設的“信號完整性與電源完整性”課程的教案為藍本的。第三版則基於科羅拉多大學博爾德分校130多名選課研究生的實踐演練素材，並新增了幾個採用高速串行鏈路的最新實例。學生們反饋給我的建議是，希望通過實踐演練能夠考核並加深自己的理解能力。當我向專業工程師諮詢是否在每章結尾添加複習題時，也得到了他們的強力支持。
工程師們都願意正視自己所面對的難題和挑戰。每當遇到難題，總是要設法解決問題，從而把絆腳石變為墊腳石。
有人認為經由實踐途徑的學習效果最好。我認為並非完全正確。我認為實踐演練能加強對所學基本原理的理解，但並不見得必須從實踐中才能學習得到。在我們把基本原理應用到真實世界時，無論是在實驗室中進行測量解釋及模擬仿真，還是在面對實際問題時，我們在腦海中都會嘗試如何應用基本原理這一過程。工程師們已告訴我，在解決問題時“終會產生共鳴”。
在本書每一章的末尾附有20～35個複習題，這些複習題會迫使讀者思考一些原理，借用它們叩擊讀者的思維。附錄D匯總了所有複習題並給出了答案。其他補充資料還可以通過網站www.beTheSignal.com獲取。

Eric Bogatin2017年9月

第二版前言

從本書第一版出版至今，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產品能夠成功還是失敗的關鍵角色。
除了在大多數章節，尤其是在差分對和損耗章節中充實了許多內容和示例，第二版新增了兩章，目的是針對當今的工程師和設計師們的實際需求提供一個堅實的基礎。
第12章是新增的一章，深入介紹了在信號完整性中如何使用S參數。只要你遇到的是高速鏈路問題，就會接觸到S參數。由於採用的是高速數字設計師們所不熟悉的頻域語言表示，常常令人望而生畏。正如本書的所有章節，第12章提供了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第13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影響著電源配送，還影響著信號的返回路徑，以及電磁兼容測試認證能否通過。
我們從最基本的內容出發，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。介紹平面阻抗的基本原理、擴散電感、去耦電容器、電容器的回路電感等。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合出新的設計。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，可以找出性能與價格的折中方案，修整出完美的電源分配網絡阻抗曲線。
如果你是信號完整性方面的一位新手，那麼本書將是你的入門教材。借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首次成功！次次成功！

第一版前言

“一切都應該盡可能簡單，而不只是簡單一點。”
――阿爾伯特?愛因斯坦
通常，人們一提到印製電路板和集成電路封裝設計，常常會想到電路設計、版圖設計、CAD工具、熱傳導、機械工程和可靠性分析等。隨著現代數字電子系統突破1 GHz的壁壘，PCB板級設計和集成電路封裝設計必須考慮信號完整性（SI）和電氣性能問題。
凡是介入物理設計的人都會不同程度地左右產品的性能。所有的設計師都應該瞭解自己的設計如何影響信號完整性，至少可以做到與信號完整性專業的工程師進行技術上的溝通。
傳統的設計方法學是：根據要求研製產品樣機，然後進行測試和調試。如今，產品的上市時間和產品的成本、性能同等重要，採用傳統做法的效率將很低。因為，一個設計如果在開始階段不考慮信號完整性，就很難做到首件產品一次成功。
在當今的“高速”世界裡，從電氣性能的角度看，封裝和互連對於信號不再是暢通和透明的，因此需要新的設計方法學，以保證產品設計的一次成功率。這種新設計方法學的本質是立足於可預見性的。為此，首先要儘量應用已經成熟的來自工程經驗積累的設計規則，其次要用量化的手段對期望的產品性能進行預估。這種工程設計途徑與猜測途徑不同，工程途徑中要充分利用4種重要的技術工具：經驗法則、解析近似、數值仿真和實際測量。在設計仿真過程中，還要盡可能早一點對產品的性能和成本進行評估和折中。設計早期進行分析和折中處理，對上市時間、產品成本和風險的影響最大。解決問題的途徑可以歸結為：首先分析信號完整性問題的起源，然後利用教材提供的工具找出最優的解決方案，並加以驗證。
設計過程是充滿直覺的過程，解決問題的靈感源自想像力和創造性的神秘世界。人們頭腦中首先湧現出一個好主意，然後憑藉技術訓練中提供的分析能力，就能進一步將這個好主意變成解決問題的實際方案。方案的最終驗證肯定要進行計算機仿真，但它畢竟代替不了我們的直覺能力。相反，只有對工作機理、原理、定義和各種可能性的深入掌握，才可能湧現好的問題解決方案。所以，為了做到能通過直覺推斷去尋找問題答案，需要不斷地提高理解力和想像力。
本書強調的是培養解決問題的直覺途徑。全書內容的安排就是為了使讀者能掌握從芯片、封裝、電路板、連接器到連線電纜的所有互連設計及所用材料對電氣特性的影響。
商業報道中不完整甚至矛盾的描述使不少人感到困惑，這些人可把本書當成學習的入門起點。而那些對電子設計比較有經驗的人，也可以通過本書的學習，最終理解數學公式的真正物理含義。
本書從最基本的參數術語出發進行論述。例如，傳輸線阻抗是一段互連的基本電氣

第1章 信號完整性分析概論
1.1 信號完整性、電源完整性與
電磁兼容的含義
1.2 單一網絡的信號完整性
1.3 串擾
1.4 軌道塌陷噪聲
1.5 電磁干擾
1.6 信號完整性的兩個重要推論
1.7 電子產品的趨勢
1.8 新設計方法學的必要性
1.9 一種新的產品設計方法學
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
1.16 複習題
第2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 傅裡葉變換
2.6 重複信號的頻譜
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 時鐘頻率與帶寬
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
2.18 複習題
第3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 實際電路元件與理想電路元件
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
3.12 複習題
第4章 電阻的物理基礎
4.1 將物理設計轉化為電氣性能
4.2 互連電阻的最佳近似式
4.3 體電阻率
4.4 單位長度電阻
4.5 方塊電阻
4.6 小結
4.7 複習題
第5章 電容的物理基礎
5.1 電容器中的電流流動
5.2 球面電容
5.3 平行板近似式
5.4 介電常數
5.5 電源、地平面及去耦電容
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
5.10 複習題
第6章 電感的物理基礎
6.1 電感是什麼
6.2 電感法則之一：電流周圍會形成閉合磁力線圈
6.3 電感法則之二：電感是導體電流1 A時周圍的磁力線匝數
6.4 自感和互感
6.5 電感法則之三：周圍磁力線匝數改變時導體兩端產生感應電壓
6.6 局部電感
6.7 有效電感、總電感或淨電感及地彈
6.8 回路自感和回路互感
6.9 電源分配網絡和回路電感
6.10 每方塊回路電感
6.11 平面對與過孔的回路電感
6.12 有出砂孔區域的平面對的回路電感
6.13 回路互感
6.14 多個電感器的等效電感
6.15 電感分類
6.16 電流分佈及集膚深度
6.17 高磁導率材料
6.18 渦流
6.19 小結
6.20 複習題
第7章 傳輸線的物理基礎
7.1 不再使用“地”這個詞
7.2 信號
7.3 均勻傳輸線
7.4 銅中電子的速度
7.5 傳輸線上信號的速度
7.6 前沿的空間延伸
7.7 “我若是信號”
7.8 傳輸線的瞬時阻抗
7.9 特性阻抗與可控阻抗
7.10 常見的特性阻抗
7.11 傳輸線的阻抗
7.12 傳輸線的驅動
7.13 返回路徑
7.14 返回路徑參考平面的切換
7.15 傳輸線的一階模型
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
7.18 n節集總電路模型
7.19 特性阻抗隨頻率的變化
7.20 小結
7.21 複習題
第8章 傳輸線與反射
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 用時域反射計測量反射
8.8 傳輸線及非故意突變
8.9 多長需要端接
8.10 點到點拓撲的通用端接策略
8.11 短串聯傳輸線的反射
8.12 短並聯傳輸線的反射
8.13 容性終端的反射
8.14 走線中途容性負載的反射
8.15 中途容性時延累加
8.16 拐角和過孔的影響
8.17 有載線
8.18 感性突變的反射
8.19 補償
8.20 小結
8.21 複習題
第9章 有損線、上升邊退化與材料特性
9.1 有損線的不良影響
9.2 傳輸線中的損耗
9.3 損耗源：導線電阻與趨膚效應
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 有損傳輸線建模
9.8 有損傳輸線的特性阻抗
9.9 有損傳輸線中的信號速度
9.10 衰減與dB
9.11 有損線上的衰減
9.12 頻域中有損線特性的度量
9.13 互連的帶寬
9.14 有損線的時域行為
9.15 改善傳輸線眼圖
9.16 多大的衰減算大
9.17 小結
9.18 複習題
第10章 傳輸線的串擾
10.1 疊加
10.2 耦合源：電容和電感
10.3 傳輸線串擾：NEXT與FEXT
10.4 串擾模型
10.5 SPICE電容矩陣
10.6 麥克斯韋電容矩陣與二維場求解器
10.7 電感矩陣
10.8 均勻傳輸線上的串擾和飽和長度
10.9 容性耦合電流
10.10 感性耦合電流
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 防護佈線
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
10.21 複習題
第11章 差分對與差分阻抗
11.1 差分信令
11.2 差分對
11.3 無耦合時的差分阻抗
11.4 耦合的影響
11.5 差分阻抗的計算
11.6 差分對返回電流的分佈
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 理想耦合傳輸線或理想差分對模型
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 差分信號向共模信號轉化
11.16 電磁干擾和共模信號
11.17 差分對的串擾
11.18 跨越返回路徑中的間隙
11.19 是否要緊耦合
11.20 根據電容和電感矩陣元素計算奇模及偶模
11.21 阻抗矩陣
11.22 小結
11.23 複習題
第12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 返回損耗與插入損耗
12.6 互連的透明度
12.7 改變端口阻抗
12.8 50 Ω均勻傳輸線S21的相位
12.9 均勻傳輸線S21的幅值
12.10 傳輸線之間的耦合
12.11 非50 Ω傳輸線的插入損耗
12.12 S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
12.19 複習題
第13章 電源分配網絡
13.1 電源分配網絡的問題
13.2 問題的根源
13.3 電源分配網絡最重要的設計準則
13.4 如何確定目標阻抗
13.5 不同產品對電源分配網絡的要求不同
13.6 電源分配網絡工程化建模
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 未加去耦電容器的電源分配網絡
13.12 多層陶瓷電容器（MLCC）
13.13 等效串聯電感
13.14 回路電感的解析近似
13.15 電容器裝連的優化
13.16 電容器的並聯
13.17 添加電容器以降低並聯諧振峰值
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 靠個數多還是選合適值
13.22 修整阻抗曲線的頻域目標阻抗法
13.23 何時要考慮每pH的電感
13.24 位置的重要性
13.25 擴散電感的制約
13.26 從芯片看過去
13.27 綜合效果
13.28 小結
13.29 複習題
附錄A 102條使信號完整性問題最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
附錄D 複習題答案