信号完整性与电源完整性分析（第三版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书全面论述了信号完整性与电源完整性问题。主要讲述信号与电源完整性分析及物理设计概论，4类信号与电源完整性问题的实质含义，物理互连设计对信号完整性的影响，电容、电感、电阻和电导的特性分析，求解信号与电源完整性问题的4种实用技术途径，推导和仿真背后隐藏的解决方案，以及改进信号与电源完整性的推荐设计准则等。本书还讨论了信号与电源完整性中S参数的应用问题，并给出了电源分配网络的设计实例。书中每章都添加了复习题，并在附录D中给出了答案。本书强调直觉理解、实用工具和工程素养。作者以实践专家的视角指出造成信号与电源完整性问题的根源，并特别给出了设计阶段前期的问题解决方案。本书是面向电子行业设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书，研读此书有助于在信号与电源完整性问题出现之前提前发现并及早加以解决。同时，本书也可作为相关专业本科生及研究生的教学用书。

第1章 信号完整性分析概论

1.1 信号完整性、电源完整性与

电磁兼容的含义

1.2 单一网络的信号完整性

1.3 串扰

1.4 轨道塌陷噪声

1.5 电磁干扰

1.6 信号完整性的两个重要推论

1.7 电子产品的趋势

1.8 新设计方法学的必要性

1.9 一种新的产品设计方法学

1.10 仿真

1.11 模型与建模

1.12 通过计算创建电路模型

1.13 三种测量技术

1.14 测量的作用

1.15 小结

1.16 复习题

第2章 时域与频域

2.1 时域

2.2 频域中的正弦波

2.3 在频域解决问题

2.4 正弦波的特征

2.5 傅里叶变换

2.6 重复信号的频谱

2.7 理想方波的频谱

2.8 从频域逆变换到时域

2.9 带宽对上升边的影响

2.10 上升边与带宽

2.11 “有效”的含义

2.12 实际信号的带宽

2.13 时钟频率与带宽

2.14 测量的带宽

2.15 模型的带宽

2.16 互连的带宽

2.17 小结

2.18 复习题

第3章 阻抗与电气模型

3.1 用阻抗描述信号完整性

3.2 阻抗的含义

3.3 实际电路元件与理想电路元件

3.4 时域中理想电阻器的阻抗

3.5 时域中理想电容器的阻抗

3.6 时域中理想电感器的阻抗

3.7 频域中的阻抗

3.8 等效电路模型

3.9 电路理论和SPICE

3.10 建模简介

3.11 小结

3.12 复习题

第4章 电阻的物理基础

4.1 将物理设计转化为电气性能

4.2 互连电阻的近似式

4.3 体电阻率

4.4 单位长度电阻

4.5 方块电阻

4.6 小结

4.7 复习题

第5章 电容的物理基础

5.1 电容器中的电流流动

5.2 球面电容

5.3 平行板近似式

5.4 介电常数

5.5 电源、地平面及去耦电容

5.6 单位长度电容

5.7 二维场求解器

5.8 有效介电常数

5.9 小结

5.10 复习题

第6章 电感的物理基础

6.1 电感是什么

6.2 电感法则之一：电流周围会形成闭合磁力线圈

6.3 电感法则之二：电感是导体电流1 A时周围的磁力线匝数

6.4 自感和互感

6.5 电感法则之三：周围磁力线匝数改变时导体两端产生感应电压

6.6 局部电感

6.7 有效电感、总电感或净电感及地弹

6.8 回路自感和回路互感

6.9 电源分配网络和回路电感

6.10 每方块回路电感

6.11 平面对与过孔的回路电感

6.12 有出砂孔区域的平面对的回路电感

6.13 回路互感

6.14 多个电感器的等效电感

6.15 电感分类

6.16 电流分布及集肤深度

6.17 高磁导率材料

6.18 涡流

6.19 小结

6.20 复习题

第7章 传输线的物理基础

7.1 不再使用“地”这个词

7.2 信号

7.3 均匀传输线

7.4 铜中电子的速度

7.5 传输线上信号的速度

7.6 前沿的空间延伸

7.7 “我若是信号”

7.8 传输线的瞬时阻抗

7.9 特性阻抗与可控阻抗

7.10 常见的特性阻抗

7.11 传输线的阻抗

7.12 传输线的驱动

7.13 返回路径

7.14 返回路径参考平面的切换

7.15 传输线的一阶模型

7.16 特性阻抗的近似计算

7.17 用二维场求解器计算特性阻抗

7.18 n节集总电路模型

7.19 特性阻抗随频率的变化

7.20 小结

7.21 复习题

第8章 传输线与反射

8.1 阻抗突变处的反射

8.2 为什么会有反射

8.3 阻性负载的反射

8.4 驱动器的内阻

8.5 反弹图

8.6 反射波形仿真

8.7 用时域反射计测量反射

8.8 传输线及非故意突变

8.9 多长需要端接

8.10 点到点拓扑的通用端接策略

8.11 短串联传输线的反射

8.12 短并联传输线的反射

8.13 容性终端的反射

8.14 走线中途容性负载的反射

8.15 中途容性时延累加

8.16 拐角和过孔的影响

8.17 有载线

8.18 感性突变的反射

8.19 补偿

8.20 小结

8.21 复习题

第9章 有损线、上升边退化与材料特性

9.1 有损线的不良影响

9.2 传输线中的损耗

9.3 损耗源：导线电阻与趋肤效应

9.4 损耗源：介质

9.5 介质耗散因子

9.6 耗散因子的真实含义

9.7 有损传输线建模

9.8 有损传输线的特性阻抗

9.9 有损传输线中的信号速度

9.10 衰减与dB

9.11 有损线上的衰减

9.12 频域中有损线特性的度量

9.13 互连的带宽

9.14 有损线的时域行为

9.15 改善传输线眼图

9.16 多大的衰减算大

9.17 小结

9.18 复习题

第10章 传输线的串扰

10.1 叠加

10.2 耦合源：电容和电感

10.3 传输线串扰：NEXT与FEXT

10.4 串扰模型

10.5 SPICE电容矩阵

10.6 麦克斯韦电容矩阵与二维场求解器

10.7 电感矩阵

10.8 均匀传输线上的串扰和饱和长度

10.9 容性耦合电流

10.10 感性耦合电流

10.11 近端串扰

10.12 远端串扰

10.13 减小远端串扰

10.14 串扰仿真

10.15 防护布线

10.16 串扰与介电常数

10.17 串扰与时序

10.18 开关噪声

10.19 降低串扰的措施

10.20 小结

10.21 复习题

第11章 差分对与差分阻抗

11.1 差分信令

11.2 差分对

11.3 无耦合时的差分阻抗

11.4 耦合的影响

11.5 差分阻抗的计算

11.6 差分对返回电流的分布

11.7 奇模与偶模

11.8 差分阻抗与奇模阻抗

11.9 共模阻抗与偶模阻抗

11.10 差分/共模信号与奇模/偶模电压分量

11.11 奇模/偶模速度与远端串扰

11.12 理想耦合传输线或理想差分对模型

11.13 奇模及偶模阻抗的测量

11.14 差分及共模信号的端接

11.15 差分信号向共模信号转化

11.16 电磁干扰和共模信号

11.17 差分对的串扰

11.18 跨越返回路径中的间隙

11.19 是否要紧耦合

11.20 根据电容和电感矩阵元素计算奇模及偶模

11.21 阻抗矩阵

11.22 小结

11.23 复习题

第12章 S参数在信号完整性中的应用

12.1 一种新基准：S参数

12.2 S参数的定义

12.3 S参数的基本公式

12.4 S参数矩阵

12.5 返回损耗与插入损耗

12.6 互连的透明度

12.7 改变端口阻抗

12.8 50 Ω均匀传输线S21的相位

12.9 均匀传输线S21的幅值

12.10 传输线之间的耦合

12.11 非50 Ω传输线的插入损耗

12.12 S参数的扩展

12.13 单端及差分S参数

12.14 差分插入损耗

12.15 模态转化项

12.16 转换为混模S参数

12.17 时域和频域

12.18 小结

12.19 复习题

第13章 电源分配网络

13.1 电源分配网络的问题

13.2 问题的根源

13.3 电源分配网络重要的设计准则

13.4 如何确定目标阻抗

13.5 不同产品对电源分配网络的要求不同

13.6 电源分配网络工程化建模

13.7 稳压模块

13.8 用SPICE仿真阻抗

13.9 片上电容

13.10 封装屏障

13.11 未加去耦电容器的电源分配网络

13.12 多层陶瓷电容器（MLCC）

13.13 等效串联电感

13.14 回路电感的解析近似

13.15 电容器装连的优化

13.16 电容器的并联

13.17 添加电容器以降低并联谐振峰值

13.18 电容器容值的选取

13.19 电容器个数的估算

13.20 每nH电感的成本

13.21 靠个数多还是选合适值

13.22 修整阻抗曲线的频域目标阻抗法

13.23 何时要考虑每pH的电感

13.24 位置的重要性

13.25 扩散电感的制约

13.26 从芯片看过去

13.27 综合效果

13.28 小结

13.29 复习题

附录A 102条使信号完整性问题小化的通用设计规则

附录B 100条估计信号完整性效应的经验法则

附录C 参考文献

附录D 复习题答案

Eric Bogatin在信号完整性领域，包括基本原理、测量技术和分析工具等方面举办过多期短期课程。GigaTest实验室首席技术主管。

李玉山，西安电子科技大学教授，*“超高速电路设计与电磁兼容”重点实验室学术委员会副主任。主持完成1项国家863计划和4项国家自然科学基金项目；主持制定中国电子行业标准3部；获省部级奖励10项。在IEEE Trans.上发表长文12篇；正式出版教材/专著/译著12部。研究方向：高速电路设计与信号完整性分析，EDA技术及软件研发。

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编辑推荐

本书汇集了Eric Bogatin在设计中如何发现、修复和避免信号完整性问题的新技术。Bogatin以面向工程师、研究生的培训教材为蓝本，系统地阐释了信号完整性、电源完整性及电磁兼容性等六类电气完整性问题的表象与根源，展示了在高速电路研发前期如何采用*准则和技术预防并排除各种不完整问题。书中强调直觉理解、实用工具和工程素养，并未偏重于严密的数学论证推导。为了加深理解、评判与检测能力，第三版的各章末尾都增列了复习题，并在附录D给出了答案。Bogatin基于指导130多名研究生的经验，新增许多高速串行链路的内容，并展示了更多免费软件工具示例。

前言

本书汇集了Eric Bogatin在设计中如何发现、修复和避免信号完整性问题的新技术。Bogatin以面向工程师、研究生的培训教材为蓝本，系统地阐释了信号完整性、电源完整性及电磁兼容性等六类电气完整性问题的表象与根源，展示了在高速电路研发前期如何采用准则和技术预防并排除各种不完整问题。书中强调直觉理解、实用工具和工程素养，并未偏重于严密的数学论证推导。为了加深理解、评判与检测能力，第三版的各章末尾都增列了复习题，并在附录D给出了答案。Bogatin基于指导130多名研究生的经验，新增许多高速串行链路的内容，并展示了更多免费软件工具示例。

内容特色

●全新的信号完整性及物理设计概论

●不同的设计和工艺对电源分配网络的性能的改善或破坏

●平面阻抗、扩散电感、去耦电容器、电容器的回路电感等重要概念

●分析电阻、电容、电感和阻抗的实用技术

●采用电路仿真器QUCS预测受互连阻抗影响的源电压波形

●应用免费动画工具识别反射和串扰

●求解信号完整性问题的途径：经验法则、解析近似、数值仿真和测量

●理解互连的物理设计如何影响信号完整性

●对差分对及其损耗的管控技术

●在高速串行链路中应用S参数的全部功能

●用于高速串行链路设计、差分对及其损耗分析的眼图新技巧

●在整个电源配送路径中确保电源完整性

●改善信号完整性的实用设计指南

译  者  序

广义信号完整性，又称为电气完整性(Electrical Integrity)，是指所有与数字信号完整性相关的分析与设计技术，其中包括信号的波形噪声和时序抖动，电源的地弹和纹波，以及场与路之间的干扰和抗干扰等。

2003年9月，Eric Bogatin所著的本书版问世，其深入浅出、雅俗共赏的大家风范得到读者的一致好评。其中译本自2005年出版后，深受中国广大工程技术人员的普遍欢迎。

当前，国内对信号完整性的研究开发堪称斗转星移，读者对国外著作的需求也已今非昔比。因此，我们依然珍惜这次第三版中译本的出版契机。本着为读者呈现精品的宗旨，结合译者15年间采用本书前两版的教学体验，推敲琢磨，竭力使译文更好地贴近“信、达、雅”的准则，少留缺憾。

与本书版相比，第二版新增了第12章和第13章，将信号完整性拓展到电源完整性领域。第三版除了对正文的斟酌更新、补充完善和拓展延伸，在每章的末尾都添加了复习题，并在附录D中给出了复习题的参考答案。这样，读者在学习时可以加入考查环节，以厘清对内容的理解，并尝试采用分析技术有针对性地解决工程问题。目前，广义信号完整性分析与设计技术已被国内业界掌握并应用，然而这一研发领域仍有不断深化的空间和提升的前景。

第三版的翻译工作仍由西安电子科技大学电路CAD研究所里研究信号完整性的教师和部分博士生、硕士生共同完成，并由李玉山统稿、审校和定稿。参与翻译的人员有：刘洋、初秀琴、路建民、王君、李先锐、尚玉玲、董巧玲等。另外，索之玲、寻建晖、辛东金、戴翔宇、张超余、张文博、赵国荣等参加了部分相关工作，在此一并表示感谢。电子工业出版社马岚编辑的使命感和敬业风范是本书出版的品质保障。

本书的出版得到国家自然科学基金（No.61871453、No.61501345、No.61301067、No.61102012、No.60871072和No.60672027）、*博士点基金（No.20050701002）、*“超高速电路设计与电磁兼容”重点实验室基金、西电是德(Keysight)高速电路信号完整性联合实验室，以及西安电子科技大学研究生院的立项资助。恳切希望读者在学习及使用中予以检视和指正！

本书适合作为电子通信类学科专业博士生、硕士生或本科生的“信号完整性分析”课程的教材。此外，本书也适合作为电子系统与电路设计工程师解决电气完整性问题的技术参考书。

李玉山2019年1月于西安电子科技大学

第三版前言

与本书第二版相比，第三版有一个非常重要的增补：在每一章末尾都附上一批重点考查题，籍以加深读者对本书知识的理解。

大学生和工程师将受益于这个契机，认真查看自己是否掌握了每一章的重要信息，并学会运用这些原理去解决实际问题。

自从本书第二版出版以来，信号完整性和电源完整性的原理及应用并未改变。当我在世界各地对这些主题发表演讲时，我发现其中的基本原理比以往任何时候都更重要。

我常常惊讶地发现，即使实际问题很复杂，也能采用基本的工程原理和简单的评判方法加以解决，并获得更升华的新见解。这就是本书的重点和特点。

本书的版和第二版是以为世界各地成千上万工程师们开设的“信号完整性与电源完整性”课程的教案为蓝本的。第三版则基于科罗拉多大学博尔德分校130多名选课研究生的实践演练素材，并新增了几个采用高速串行链路的实例。学生们反馈给我的建议是，希望通过实践演练能够考核并加深自己的理解能力。当我向专业工程师咨询是否在每章结尾添加复习题时，也得到了他们的强力支持。

工程师们都愿意正视自己所面对的难题和挑战。每当遇到难题，总是要设法解决问题，从而把绊脚石变为垫脚石。

有人认为经由实践途径的学习效果好。我认为并非完全正确。我认为实践演练能加强对所学基本原理的理解，但并不见得必须从实践中才能学习得到。在我们把基本原理应用到真实世界时，无论是在实验室中进行测量解释及模拟仿真，还是在面对实际问题时，我们在脑海中都会尝试如何应用基本原理这一过程。工程师们已告诉我，在解决问题时“终会产生共鸣”。

在本书每一章的末尾附有20~35个复习题，这些复习题会迫使读者思考一些原理，借用它们叩击读者的思维。附录D汇总了所有复习题并给出了答案。其他补充资料还可以通过网站www.beTheSignal.com获取。

Eric Bogatin2017年9月

第二版前言

从本书版出版至今，信号完整性的原理并未发生改变。发生变化的是随着高速链路的大量应用，电源完整性正在成为开发新产品能够成功还是失败的关键角色。

除了在大多数章节，尤其是在差分对和损耗章节中充实了许多内容和示例，第二版新增了两章，目的是针对当今的工程师和设计师们的实际需求提供一个坚实的基础。

第12章是新增的一章，深入介绍了在信号完整性中如何使用S参数。只要你遇到的是高速链路问题，就会接触到S参数。由于采用的是高速数字设计师们所不熟悉的频域语言表示，常常令人望而生畏。正如本书的所有章节，第12章提供了理解这一格式的坚实基础，以便让所有工程师可以充分利用S参数的强大功能。

新增的另一章是关于电源完整性的第13章。这一问题不断进入设计工程师的视野。对于高速应用，电源分配路径的互连不仅影响着电源配送，还影响着信号的返回路径，以及电磁兼容测试认证能否通过。

我们从基本的内容出发，讨论电源分配互连的角色，分析不同的设计和工艺如何影响电源分配网络性能的优劣。介绍平面阻抗的基本原理、扩散电感、去耦电容器、电容器的回路电感等。这些有价值的感悟将有助于培养工程师的直觉，从而使他们能够运用自己的创造力去综合出新的设计。在实现一个新创意的过程中，与设计密不可分的工作是性能分析。通过分析，可以找出性能与价格的折中方案，修整出完美的电源分配网络阻抗曲线。

如果你是信号完整性方面的一位新手，那么本书将是你的入门教材。借此奠定一个坚实的基础，从此可以使你的信号完整性设计做到首次成功！次次成功！

版前言

“一切都应该尽可能简单，而不只是简单一点。”

——阿尔伯特?爱因斯坦

通常，人们一提到印制电路板和集成电路封装设计，常常会想到电路设计、版图设计、CAD工具、热传导、机械工程和可靠性分析等。随着现代数字电子系统突破1 GHz的壁垒，PCB板级设计和集成电路封装设计必须考虑信号完整性（SI）和电气性能问题。

凡是介入物理设计的人都会不同程度地左右产品的性能。所有的设计师都应该了解自己的设计如何影响信号完整性，至少可以做到与信号完整性专业的工程师进行技术上的沟通。

传统的设计方法学是：根据要求研制产品样机，然后进行测试和调试。如今，产品的上市时间和产品的成本、性能同等重要，采用传统做法的效率将很低。因为，一个设计如果在开始阶段不考虑信号完整性，就很难做到首件产品一次成功。

在当今的“高速”世界里，从电气性能的角度看，封装和互连对于信号不再是畅通和透明的，因此需要新的设计方法学，以保证产品设计的一次成功率。这种新设计方法学的本质是立足于可预见性的。为此，首先要尽量应用已经成熟的来自工程经验积累的设计规则，其次要用量化的手段对期望的产品性能进行预估。这种工程设计途径与猜测途径不同，工程途径中要充分利用4种重要的技术工具：经验法则、解析近似、数值仿真和实际测量。在设计仿真过程中，还要尽可能早一点对产品的性能和成本进行评估和折中。设计早期进行分析和折中处理，对上市时间、产品成本和风险的影响。解决问题的途径可以归结为：首先分析信号完整性问题的起源，然后利用教材提供的工具找出的解决方案，并加以验证。

设计过程是充满直觉的过程，解决问题的灵感源自想象力和创造性的神秘世界。人们头脑中首先涌现出一个好主意，然后凭借技术训练中提供的分析能力，就能进一步将这个好主意变成解决问题的实际方案。方案的终验证肯定要进行计算机仿真，但它毕竟代替不了我们的直觉能力。相反，只有对工作机理、原理、定义和各种可能性的深入掌握，才可能涌现好的问题解决方案。所以，为了做到能通过直觉推断去寻找问题答案，需要不断地提高理解力和想象力。

本书强调的是培养解决问题的直觉途径。全书内容的安排就是为了使读者能掌握从芯片、封装、电路板、连接器到连线电缆的所有互连设计及所用材料对电气特性的影响。

商业报道中不完整甚至矛盾的描述使不少人感到困惑，这些人可把本书当成学习的入门起点。而那些对电子设计比较有经验的人，也可以通过本书的学习，终理解数学公式的真正物理含义。

书籍介绍

本书全面论述了信号完整性与电源完整性问题。主要讲述信号与电源完整性分析及物理设计概论，4类信号与电源完整性问题的实质含义，物理互连设计对信号完整性的影响，电容、电感、电阻和电导的特性分析，求解信号与电源完整性问题的4种实用技术途径，推导和仿真背后隐藏的解决方案，以及改进信号与电源完整性的推荐设计准则等。本书还讨论了信号与电源完整性中S参数的应用问题，并给出了电源分配网络的设计实例。书中每章都添加了复习题，并在附录D中给出了答案。本书强调直觉理解、实用工具和工程素养。作者以实践专家的视角指出造成信号与电源完整性问题的根源，并特别给出了设计阶段前期的问题解决方案。本书是面向电子行业设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书，研读此书有助于在信号与电源完整性问题出现之前提前发现并及早加以解决。同时，本书也可作为相关专业本科生及研究生的教学用书。