信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)

前言

　　隨著半導(dǎo)體工藝向高速度、高密度發(fā)展，作為核心競(jìng)爭(zhēng)力的高速電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已成為必備的利器。近幾年，國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)翻譯出版了國(guó)外多部完整性方面的專著，有關(guān)數(shù)字信號(hào)完整性的分析與設(shè)計(jì)技術(shù)正在得到普及?！　V義的信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)涵蓋狹義信號(hào)及數(shù)據(jù)完整性、電源完整性、電磁完整性，這是本書(shū)全部論述的基點(diǎn)。但是，歸根結(jié)底——所有分析和設(shè)計(jì)的目的，還是為了保證基本數(shù)字信號(hào)的完整性。正是基于這一認(rèn)知，我們將本書(shū)命名為《信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)》。寫(xiě)作中，它被細(xì)分為信號(hào)（含數(shù)據(jù)，以下略）完整性、電源完整性和電磁完整性三個(gè)密切互相關(guān)的部分。高速數(shù)字設(shè)計(jì)的“列車(chē)”在高速前行，它已經(jīng)把電源完整性和電磁完整性分析設(shè)計(jì)技術(shù)推到了前臺(tái)。這里，電磁完整性作為電路級(jí)的微觀EMC，側(cè)重討論電路設(shè)計(jì)中如何從源頭和路徑上研究并解決電磁干擾／被干擾的問(wèn)題。顯然，在當(dāng)今高速數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電源完整性和電磁完整性比狹義的信號(hào)（數(shù)據(jù)）完整性更具挑戰(zhàn)性。本書(shū)以高速PCB／封裝系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，所闡述的原理自然也適用于芯片設(shè)計(jì)。　　對(duì)于當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或研究人員而言，普遍感到涉及信號(hào)完整性的內(nèi)容實(shí)在浩繁——名目繁多的高速現(xiàn)象；數(shù)不盡的經(jīng)驗(yàn)法則和設(shè)計(jì)原則。如今，更加復(fù)雜的電源和電磁完整性又加入到完整性的設(shè)計(jì)與分析范疇。對(duì)于高速芯片與系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)師而言，心中的感受是——不堪重負(fù)又覺(jué)得責(zé)無(wú)旁貸。　　其實(shí)，高速數(shù)字設(shè)計(jì)的基本理論是有章可循的。但是，要想將其原理分析和互連設(shè)計(jì)技術(shù)論述明白并非易事。本書(shū)試圖從基于回路和互相關(guān)人手，梳理一條剖析的思路；統(tǒng)一闡釋信號(hào)、電源和電磁三個(gè)完整性；培育直覺(jué)的工程感悟能力，進(jìn)而能自行駕馭高速設(shè)計(jì)的列車(chē)?！　?shū)中許多內(nèi)容是作者研究成果的一種系統(tǒng)陳述。本書(shū)根據(jù)對(duì)理論及技術(shù)的領(lǐng)悟，力圖用融匯和直白的方式對(duì)狹義信號(hào)、電源和電磁完整性的分析設(shè)計(jì)內(nèi)容加以綜合推介和詮釋。在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)再認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，竭力促成必要知識(shí)的補(bǔ)充和認(rèn)知層次的提升。作為電氣性能，它們共同刻畫(huà)的是高速數(shù)字系統(tǒng)中息息相關(guān)的一個(gè)完整屬性。其中，電源分配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為它們之間密切聯(lián)系和相互影響的一個(gè)紐帶。書(shū)中三部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，不同領(lǐng)域的工程師、設(shè)計(jì)師可以選擇性地學(xué)習(xí)。但是，建議讀者不妨將三部分通讀一下?！　〉?章簡(jiǎn)要介紹高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)與廣義信號(hào)完整性的概念。其中，討論了信號(hào)完整性、電源完整性和電磁完整性的關(guān)系及協(xié)同分析設(shè)計(jì)技術(shù)。　　第2章一第6章論述信號(hào)完整性的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。內(nèi)容包括：信號(hào)完整性基礎(chǔ)、非理想互連分析與設(shè)計(jì)、非理想互連的建模以及高速總線設(shè)計(jì)?！　〉?章一第10章是關(guān)于電源完整性設(shè)計(jì)與分析專題的前沿性論述。內(nèi)容包括：電源完整性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、高速電源分配網(wǎng)絡(luò)的頻域／時(shí)域設(shè)計(jì)技術(shù)以及電源噪聲耦合管理技術(shù)?！　〉?1章和第12章論述電磁完整性設(shè)計(jì)與分析的應(yīng)用性技術(shù)。其中，討論了電磁完整性與信號(hào)完整性／電源完整性的內(nèi)在聯(lián)系；闡述了電磁完整性分析與設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；重點(diǎn)介紹了當(dāng)前高速PCB級(jí)別的應(yīng)用性EMI設(shè)計(jì)技術(shù)。

內(nèi)容概要

本書(shū)以高速PCB／封裝為主要研究對(duì)象，輔之以典型的仿真示例，深入闡明電路中信號(hào)完整性(SI)、電源完整性(PI)和電磁完整性(EMI)三類性能分析技術(shù)。內(nèi)容側(cè)重于引導(dǎo)對(duì)高速電路原理的感悟和理解，注重培養(yǎng)工程師們對(duì)高速設(shè)計(jì)的直覺(jué)把握。    本書(shū)以深入淺出的方式，從系統(tǒng)及電路的高速效應(yīng)出發(fā)，對(duì)互連設(shè)計(jì)與完整性分析技術(shù)進(jìn)行全方位、多角度的透視；完整論述SI、PI和EMI間的相關(guān)機(jī)理和本質(zhì)；著力揭示無(wú)源元件的物理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與復(fù)雜電氣性能之間的內(nèi)在聯(lián)系；附錄還介紹了高速信令和PI仿真技術(shù)。    書(shū)中介紹的技術(shù)可直接指導(dǎo)實(shí)際高速電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。本書(shū)的讀者覆蓋面廣，可以作為研究生學(xué)習(xí)廣義信號(hào)完整性的課程教材或參考書(shū)，也可以作為高速電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們的研發(fā)手冊(cè)與實(shí)踐指南。

作者簡(jiǎn)介

　　張木水,2004年獲西安電子科枝大學(xué)電子工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位并免試推薦為碩博連讀研究生，2009年獲西安電子科技大學(xué)電路與系統(tǒng)博士學(xué)位。已在IEEE Transactions on MTT、IEEE Transations On AP、IEEE-LMWC上發(fā)表第一作者署名論文7篇。目前是中山大學(xué)電子通信工程系副教授,在高速數(shù)字設(shè)計(jì)及互連建模、電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電磁完整性分析等方面有較深的造詣?！　±钣裆?1968年本科畢業(yè)于哈爾濱軍事工程學(xué)院。1968年～1979年在貴州○八三基地研制雷達(dá)及通信系統(tǒng)。1986年獲西北電訊工程學(xué)院碩士學(xué)位。1986年赴美國(guó)邁阿密大學(xué)研究數(shù)字視覺(jué)及VLsl設(shè)計(jì)，1999年赴美國(guó)北卡州立大學(xué)研究人工視覺(jué)及高速電路設(shè)計(jì)。完成科研項(xiàng)目40項(xiàng)。獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)1O項(xiàng)，出版論著1O部,主持制定中國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5部，發(fā)表論文被三大檢索收錄90多篇?，F(xiàn)勾西安電子科技大學(xué)教授、電路與系統(tǒng)博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)椋焊咚倩ミB及信號(hào)完整性,數(shù)字系統(tǒng)及EDA技術(shù)。

書(shū)籍目錄

第一部分  信號(hào)完整性　第1章  高速電路與信號(hào)完整性　第2章  高速互連設(shè)計(jì)基礎(chǔ)　第3章  反射、串?dāng)_與同時(shí)開(kāi)關(guān)噪聲　第4章  非理想互連的分析與設(shè)計(jì)　第5章  非理想互連的建模與仿真　第6章  高速總線設(shè)計(jì)第二部分  電源完整性　第7章  PDN分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)　第8章  高速PDN頻域分析與設(shè)計(jì)　第9章  高速PDN時(shí)域分析與設(shè)計(jì)　第10章  PDN噪聲耦合管理與抑制第三部分  電磁完整性　第11章  電磁完整性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)　第12章  高速PCB的EMI設(shè)計(jì)附錄A  高速信令簡(jiǎn)介附錄B  電源完整性分析典型示例附錄C  技術(shù)要點(diǎn)匯總

章節(jié)摘錄

　　PDN設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響SI，其原因有兩點(diǎn)：　　1）所有的收發(fā)器都是由PDN供電的，PDN為這些器件提供了參考電壓。供電電壓的波動(dòng)嚴(yán)重影響收發(fā)器的時(shí)序問(wèn)題，例如驅(qū)動(dòng)器上升邊的提前或遲后，接收器參考電位的漂移等?！　?）電源／地平面構(gòu)成了所有信號(hào)的返回路徑，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響高速信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。因此，解決SI問(wèn)題必須首先解決PI問(wèn)題，即獲得一個(gè)干凈的參考電壓以及為所有信號(hào)互連提供理想的返回路徑，然后才能解決SI問(wèn)題。SI問(wèn)題主要是高速信號(hào)互連的設(shè)計(jì)問(wèn)題，它應(yīng)該在PDN被充分去耦的條件下進(jìn)行。理想帶狀線就是一個(gè)典型例子，它假定兩個(gè)參考平面均為理想的返回路徑。在實(shí)際的PCB中，帶狀線受到兩平面諧振的影響，傳輸質(zhì)量有所下降。只有當(dāng)兩平面被充分去耦，即平面諧振被充分抑制，帶狀線的性能才能近似為理想帶狀線。　　支配所有電子電路的基本定律只有兩條：　　1）電流永遠(yuǎn)都是一個(gè)回路；　　2）電流總是流向阻抗最低的通路。這兩條定律支配了所有電子電路，同樣也支配了高速數(shù)字電路。電流是一個(gè)回路，這意味著所有信號(hào)必須有返回路徑，在高速設(shè)計(jì)中必須知曉這個(gè)返回路徑。人們驚訝地發(fā)現(xiàn)一種普遍現(xiàn)象——很多設(shè)計(jì)師將所有的時(shí)間和精力都放在信號(hào)路徑的考慮和設(shè)計(jì)中，而無(wú)暇顧及返回路徑。實(shí)際上，信號(hào)路徑只占電流回路的一半，返回路徑與信號(hào)路徑同等重要，它們共同構(gòu)成了電流回路。因此，必須像信號(hào)路徑一樣仔細(xì)分析與設(shè)計(jì)返回路徑。不考慮返回路徑的設(shè)計(jì)師是嚴(yán)重失職的，尤其是在高速場(chǎng)合，不考慮返回路徑是不可能獲得高速信號(hào)傳輸?shù)?。第二個(gè)基本定律則隱含著返回路徑的存在形態(tài)。我們通常聽(tīng)到“電流總是流向電阻最小的路徑”的定律，這個(gè)定律并不具有一般性，而是針對(duì)低頻的特殊情況。更一般的說(shuō)法就是電流總是流向阻抗最低的路徑。在高速場(chǎng)合，這個(gè)返回路徑往往并不是像我們想當(dāng)然地那樣流動(dòng)。在高頻主導(dǎo)回路阻抗的是回路電感，在高頻出現(xiàn)的趨膚效應(yīng)和擠近效應(yīng)，導(dǎo)致電流重新分布以獲得最小回路阻抗（感抗）。在高速互連中具體表現(xiàn)為返回路徑總是緊鄰信號(hào)路徑而分布，如微帶線和帶狀線。任何破壞這種緊鄰分布的物理結(jié)構(gòu)都會(huì)降低高速信號(hào)的傳輸品質(zhì)，而破壞這種返回路徑緊鄰信號(hào)路徑的物理結(jié)構(gòu)就是所謂的高速互連的不連續(xù)（也稱為阻抗突變）。在PCB和封裝中，典型的高速互連不連續(xù)包括：走線拐角，走線尺寸／介質(zhì)變化，走線分支，過(guò)孔，焊盤(pán)、封裝引腳、鍵合線、連接器，電源／地平面上的開(kāi)槽，等等，這些結(jié)構(gòu)都將導(dǎo)致高速信號(hào)感受的瞬時(shí)阻抗發(fā)生突變，進(jìn)而造成SI、PI和EMI問(wèn)題?！　≡赑CB和封裝中，高速信號(hào)的返回路徑就是PDN的重要組成部分——電源／地平面（包括電源／地過(guò)孔、去耦電容器、穩(wěn)壓器等）。電源／地平面上的開(kāi)槽和信號(hào)切換參考平面都將造成返回路徑的偏離，導(dǎo)致信號(hào)回路阻抗的突變，進(jìn)而造成SI、PI和EMI問(wèn)題。優(yōu)良的SI設(shè)計(jì)應(yīng)該建立在優(yōu)良的PDN設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上。

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