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出版者:西安电科大

作者:申功迈

出品人:

页数:219

译者:

出版时间:2003-6

价格:16.00元

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isbn号码:9787560610559

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现代通信系统中的信号完整性设计与优化 本书聚焦于高速数字电路和射频系统设计中至关重要的信号完整性（Signal Integrity, SI）问题，为工程师和高级学生提供一套系统、深入且实用的理论框架与实践指导。 在当代电子系统，从尖端的5G基站到高性能数据中心服务器，再到便携式消费电子产品，信号传输速率的持续攀升对PCB（印制电路板）和封装设计提出了前所未有的挑战。信号的快速上升沿和高频谐波正使得传输线效应、串扰、反射、电源噪声耦合等问题从理论探讨转变为实际产品能否按时上市、能否达到设计指标的关键瓶颈。本书旨在深入剖析这些物理层面的效应，并提供量化分析和有效的缓解策略。 全书共分为七个主要部分，循序渐进地构建起一个完整的信号完整性设计与验证体系。 --- 第一部分：高速信号传输基础与传输线理论重构 本部分将对经典电路理论进行必要的“高速化”重构，为理解后续复杂现象奠定坚实的物理基础。 1. 信号的频域与时域特性： 讨论理想方波在传输过程中的失真机制，重点分析上升时间与系统带宽之间的关系（由Shannon-Nyquist理论引申出的实际限制）。引入傅里叶分析在高速信号分解中的应用，阐明信号的能量分布如何决定了设计中需要关注的主要频率范围。 2. 传输线理论的严格审视： 详细推导集总模型向分布模型（传输线模型）过渡的必要性。深入探讨传输线的四个基本参数：特征阻抗（$Z_0$）、传播延迟（$ au_p$）、衰减常数（$alpha$）和相位常数（$eta$）。着重分析在PCB层面上，微带线（Microstrip）、带状线（Stripline）以及共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）的几何结构如何影响这些参数的实际取值。 3. 阻抗匹配与反射现象： 系统阐述阻抗不连续性导致的信号反射原理。利用史密斯圆图（Smith Chart）对复数负载的阻抗匹配进行图形化分析，并深入探讨TDR（时域反射仪）/TDT（时域透射仪）测试原理，解释如何通过TDR波形精确诊断出PCB上的缺陷位置和阻抗突变点。 --- 第二部分：损耗机制与信号衰减分析 高速信号在PCB走线上传播时，能量会因介质损耗和导体损耗而衰减，导致接收端信号眼图张开度减小。本部分对这些损耗机制进行量化分析。 4. 介质损耗（Dielectric Loss）： 分析PCB基材（如FR4, Rogers材料）的介电常数($epsilon_r$)和损耗角正切（$tandelta$）随频率的变化特性。建立适用于宽带频率的精确损耗模型，特别是针对高频应用中，介质吸收引起的频率依赖性衰减。 5. 集肤效应与导体损耗（Skin Effect）： 解释高频电流趋肤效应的物理机制，并推导出电流穿透深度与频率的关系。详细讨论铜导体的粗糙度对高频导体损耗的显著影响，引入Huray模型等先进模型来预测表面粗糙度带来的额外损耗。 6. 串扰的建模与分析（Crosstalk）： 串扰是互耦效应在时域的体现。本部分深入分析耦合电容和耦合电感对邻近信号线的影响。区分近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT），并建立多导体传输线（MCT）的耦合方程组，用于精确预测信号耦合的幅度与时序。 --- 第三部分：电源完整性（Power Integrity, PI）的挑战与对策 电源网络不再是简单的直流供电通路，其阻抗特性直接影响到信号的抖动和噪声容限。 7. 电源分配网络（PDN）的建模： 将PDN视为一个复杂的阻抗网络。介绍如何使用S参数描述PDN的频率响应，并明确定义PDN阻抗（$Z_{PDN}$）的理想目标范围。 8. 去耦电容的优化布局与选型： 探讨去耦电容在不同频率范围内的去耦效果。分析电容的ESL（等效串联电感）和ESR（等效串联电阻）对高频去耦性能的限制。提出多层级去耦策略，结合PCB层内平面、SMD电容阵列以及封装级去耦技术。 9. 地弹噪声与电源噪声的抑制： 详细分析瞬态电流回流路径的变化如何导致地弹（Ground Bounce）和电源噪声。强调建立低阻抗回流路径的重要性，并讨论叠层设计中过孔（Via）电感对系统噪声的贡献。 --- 第四部分：先进的信号完整性设计方法学 本部分将理论知识转化为可操作的设计流程。 10. 差分信号对与共模抑制： 深入剖析差分信号传输的优势，特别是其对共模噪声的天然抑制能力。分析差分阻抗的控制，包括差分对的耦合紧密度、走线间距的精确计算，以及如何处理差分对中的阻抗失配。 11. 过孔（Via）的信号完整性影响： 过孔是PCB设计中不可避免的结构性阻抗不连续点。分析过孔的等效电路模型，探讨过孔的衬垫（Pad）、过孔孔径、以及过孔尾巴（Stub）对高频信号的影响，并提供最小化过孔效应的结构化设计指南。 12. 抖动（Jitter）分析与时序裕量计算： 区分周期抖动（PJ）、随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）。介绍利用抖动分解法评估接收端建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）裕量的技术，确保系统在实际工作条件下仍能稳定采样。 --- 第五部分：仿真、测量与验证工具链 成功的SI设计离不开准确的仿真和严谨的后仿真验证。 13. 传输线电磁场仿真技术： 介绍2D/3D电磁场求解器（如有限元法FEM、矩量法MoM）在提取PCB互连结构S参数中的应用。重点讨论建立准确的材料模型和激励源模型的重要性。 14. 预布局与后布局仿真流程： 构建从系统级（如IBIS-AMI模型）到PCB层级（全板SI仿真）的设计验证流程。强调布局前（Pre-layout）的走线约束设置和布局后（Post-layout）的完整性检查。 15. 信号质量（Eye Diagram）的物理解释： 详细解读眼图的各个关键参数，包括眼高、眼宽、掩蔽（Mask）测试通过标准。阐明抖动、噪声和串扰如何具体体现在眼图的形状上，并指导工程师如何通过调整设计参数来“打开”眼图。 --- 第六部分：特定应用领域的信号完整性考量 本部分将信号完整性理论应用于当前主流的高速接口标准。 16. 内存接口（DDR/LPDDR）的SI挑战： 重点关注DDRx系统中数据总线、地址/控制总线和时钟信号之间的时序同步要求。讨论飞线（Fly-by）拓扑和T-Branch拓扑下的阻抗控制和负载均衡技术。 17. 高速串行总线（PCIe/以太网）的设计准则： 分析PCIe等基于AC耦合的SerDes链路的阻抗匹配要求，特别是在回扫（Retiming）部分对参考时钟抖动的敏感性。 --- 第七部分：热效应与可靠性对信号质量的耦合影响 在系统集成度不断提升的背景下，温度变化对材料电性能的影响不容忽视。 18. 温度对PCB性能的影响： 讨论介电常数和损耗因子随温度的变化（TCSD），以及它如何导致系统在不同工作温度下的信号传输特性漂移。 19. 封装与PCB的协同设计： 分析芯片封装（如BGA）的引脚电感、引线键合的电感特性如何成为高速信号路径上的主要限制因素，以及如何通过优化封装层与PCB层的连接设计来最小化这些寄生效应。 本书内容深度覆盖了从基础电磁理论到前沿系统验证的完整链条，旨在帮助读者构建起对高速电子系统物理层设计的深刻理解，显著提高设计一次成功率。

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这本书的结构安排简直是教科书级别的典范，从零开始构建知识体系，过渡自然流畅得令人惊叹。初读时，我被其详尽的数学推导所折服，它并没有跳过任何关键的中间步骤，确保了即便是初学者也能跟上思路。但随着章节深入，它又巧妙地融入了大量的工程实例和前沿技术介绍，比如最新的宽带匹配技术和低相位噪声振荡器设计。我注意到，书中对不同设计拓扑的优缺点进行了非常客观和深入的比较，这对于我们这些需要在资源有限的情况下做出最佳权衡的工程师来说，太重要了。不像有些教材只讲“如何做”，这本书更侧重于“为什么这么做”，并探讨了在不同工艺节点下，这些经典设计会遇到哪些新的挑战。其中关于S参数的讲解，结合了史密斯圆图的应用，讲解得深入浅出，使我彻底理解了如何用这个强大的工具来指导实际的匹配网络绘制，这是我之前一直感到模糊的地方。

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对于一个资深电子爱好者来说，我追求的阅读体验是那种能够带来“豁然开朗”感觉的知识。这本书恰恰提供了这种体验。比如，在解析反馈放大器的稳定性问题时，作者引入了伯德图和相位裕度等概念，并用非常生动的比喻解释了振荡的临界条件。这比我以前在其他地方看到的任何讲解都要直观得多。更让我惊喜的是，书中对新型半导体器件在高频应用中的特性的分析，虽然没有深入到最尖端的研究前沿，但足以让读者了解主流CMOS和SiGe工艺在高频设计中的可行边界和潜力所在。我尤其喜欢它在每章末尾设置的“设计挑战”环节，这些并非简单的习题，而是模拟真实项目需求的小型设计任务，需要综合运用本章乃至前几章的知识点去解决，极大地锻炼了我的综合分析能力。这本书，与其说是一本教材，不如说是一本实战手册。

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这本《高频电子线路》简直是电子工程领域的一股清流，它的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会是那种晦涩难懂、充满复杂数学公式的教材，但作者的叙述方式却异常清晰，仿佛在与一位经验丰富的工程师面对面交流。从最基础的晶体管特性分析，到复杂的阻抗匹配网络设计，每一步骤的推导都逻辑严密，令人信服。特别是关于有源器件在高频下的非线性行为分析，书中给出了非常详尽的建模和仿真方法，这对于我后续进行射频电路设计工作打下了坚实的基础。书中的插图质量极高，很多波形图和等效电路图都清晰地揭示了理论背后的物理意义，避免了单纯公式堆砌带来的理解障碍。我特别欣赏其中关于噪声和稳定性分析的章节，作者没有回避这些实际工程中难以处理的问题，反而提供了系统性的解决方案和实用技巧，这使得这本书不仅仅停留在理论层面，更具有极强的工程指导价值。读完后，我对高频电路设计的信心大增，感觉自己终于拿到了通往射频世界的“金钥匙”。

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说实话，市面上关于高频电子线路的书籍浩如烟海，但大多虎头蛇尾，要么过于偏重理论而缺乏实践指导，要么只停留在电路搭建层面而缺乏底层原理的剖析。然而，这本《高频电子线路》却完美地找到了那个平衡点。我最欣赏的是作者对“寄生效应”的重视程度。在高频领域，导线的电感、封装的电容往往成为限制性能的关键因素，而本书用了相当大的篇幅去讨论如何识别、量化以及最小化这些不可避免的寄生参数对电路性能的影响。书中关于电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）的初步探讨，也为我们这些关注系统可靠性的工程师提供了宝贵的参考。它不只是告诉你公式，而是告诉你这些公式在现实世界中是如何被环境因素扭曲的。这种对实际工程细节的关注，体现了作者深厚的实践功底，读起来让人感觉非常踏实可靠，真正像是从实践经验中提炼出来的精华。

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这本书的语言风格非常严谨，但又不失清晰和精确，读起来有一种老派经典教材的沉稳感。它对基本概念的定义极其到位，例如对品质因数（Q值）在不同电路模型下的准确表述，这避免了许多初学者在概念混淆上浪费时间。书中对传输线理论的阐述，从麦克斯韦方程组的简化到均匀传输线的时域和频域响应分析，层层递进，逻辑链条无可挑剔。特别是关于微带线和带状线的设计参数计算部分，提供了大量的经验公式和表格，这些都是需要花费大量时间在查阅标准或软件模拟才能获取的宝贵数据。它成功地将抽象的电磁场理论与具体的电路布局实践连接起来，让读者明白布局上的一个微小调整，在电磁层面意味着什么。总而言之，这本书给我带来的不仅仅是知识的积累，更是一种严谨的、系统性的工程思维方式的培养，是值得反复研读的案头宝典。

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