标题：高速数字系统的信号完整性和辐射发射
内容简介
书号：978-7-111-31272-7
作者： (意)Spartaco Caniggia Francescaromana Maradei 著 崔强  蔡华强  靳冬 译
出版日期：2010-11-1
定价： ￥88.00

内容简介
本书详细的讲述了高速数字系统的信号完整性和辐射发射的基本理论和总结了设计中得到的实际经验。内容包括高速数字器件、电感、电容、信号线上的反射、串扰、有耗传输线、ΔI噪声、PCB的辐射发射、PCB中的接地、测量和建模以及差分信号传输和PCB中不连续的建模等。
本书可作为高速数字系统的信号完整性和辐射发射设计技术的高级培训教材，也适合作为高等院校电子、通信、电气和自动化等专业研究生的教材。
目录
1数字系统中的信号完整性和辐射发射概述
1.1电源和信号完整性
1.1.1电源分布网络
1.1.2 信号分布网络
1.1.3 噪声的限制和特征阻抗的设计
1.2 辐射发射
1.2.1辐射发射源的定义
1.2.2辐射发射标准
1.2.3实际系统的辐射发射
1.3信号和逻辑器件
1.3.1过冲、下冲和稳定状态
1.3.2噪声抗扰度
1.3.3时序参数
1.3.4 眼图
1.4数字系统的建模
1.4.1数学工具
1.4.2 Spice-like电路仿真器
1.4.3全波数值工具
1.4.4专业仿真器
参考文献
2 高速数字器件
2.1输入输出静态特性
2.1.1电流和电压规范
2.1.2 TTL器件
2.1.3 CMOS器件
2.1.4 ECL器件
2.1.5 LVDS器件
2.1.6 逻辑器件的功率和逻辑电平
2.2动态特性：门的延迟、上升和下降时间
2.3驱动器和接收器的建模
2.3.1驱动器模型的种类
2.3.2驱动器的开关电流路径
2.3.3驱动器的非线性性能模型
2.3.4接收器的非线性性能建模
2.4输入／输出缓冲器信息规范（IBIS）模型
2.4.1 IBIS模型结构
2.4.2 IBIS模型和SPICE
参考文献
3 电感
3.1环路电感
3.1.1耦合环路的电感
3.1.2细导线电路的电感
3.1.3两个耦合环路的等效电路
3.1.4具有一个参考返回导体的两个耦合导体的L矩阵
3.1.5三导体导线型传输线L的计算
3.1.6和频率相关的内部电感
3.2部分电感
3.2.1耦合环路的部分电感
3.2.2细导线分段的部分电感的通量面积
3.2.3分解成部分电感的环路电感
3.2.4部分自电感和部分互电感
3.2.5两个平行导体之间的电感
3.2.6由部分电感计算环路的电感矩阵
3.2.7与有限接地平面相关的部分电感
3.2.8解决PCB上的电感问题
3.3差模和共模电感
3.3.1差模电感
3.3.2共模电感
参考文献
4 电容
4.1导体间的电容
4.1.1电容的定义
4.1.2具有参考返回导体的两耦合导体的部分电容和电容矩阵
4.1.3具有参考返回导体的n个耦合导体的电容矩阵
4.2差模和共模电容
4.2.1差模电容
4.2.2共模电容
参考文献
5信号线上的反射
5.1互连线的电参数
5.1.1典型的互连线
5.1.2短互连线的等效电路
5.1.3无耗传输线
5.1.4使用部分电感建模传输线
5.2无耗传输线上的入射波和反射波
5.2.1阻性不连续
5.2.2容性不连续
5.2.3端接阻性负载的互连线上反射
5.2.4互连线的临界长度
5.2.5反射计算的梯格图
5.2.6无耗传输线的精确模型
5.2.7传输线电压的图解法
5.3信号分布的架构
5.3.1点到点结构
5.3.2星型结构
5.3.3链状结构
5.3.4总线型结构
5.3.5 H树型结构
5.3.6梳状结构
5.4传输线的终端
5.4.1戴维兰终端
5.4.2串联、并联和交流终端
5.4.3串联终端及其通过电路仿真与其它终端的比较
5.4.4应用于链状结构的戴维兰终端和电路仿真
5.4.5应用于链状结构的串联终端和电路仿真
5.4.6应用于总线型结构的戴维兰终端和电路仿真
5.4.7终端和互连线的结构
5.4.8终端的性能
参考文献
6 串扰
6.1耦合线的集总电路模型
6.1.1具有参考地的双耦合传输线的等效电路
6.1.2容性耦合
6.1.3感性耦合
6.1.4总耦合
6.1.5双耦合传输线的仿真
6.2共模和差模
6.2.1奇偶模的定义
6.2.2基于奇偶模的等效电路
6.2.3差模传输的等效电路
6.2.4由奇偶模仿真点对点结构和链状结构
6.3数字器件的模型：仿真与测量
6.4无耗多导体传输线的一般分布参数模型
6.4.1 n条无耗耦合传输线的等效电路
6.4.2端接TTL和CMOS器件的五耦合传输线的测量与仿真
6.5减小串扰的技术
6.5.1减小串扰的方法
6.5.2使用接地走线作为屏蔽的耦合传输线的仿真
6.5.3双耦合传输线的全波数值仿真
参考文献
7有耗传输线
7.1有耗传输线的基本参数
7.1.1有耗传输线的反射机理
7.1.2集肤效应
7.1.3邻近效应
7.1.4有耗介电效应
7.1.5有耗传输线上的数据传输
7.2使用分段法和矢量拟合技术在时域建模有耗传输线
7.2.1同轴电缆等效电路的提取
7.2.2双绞电缆等效电路的提取
7.3使用散射参数技术在时域建模有耗传输线
7.4结论
参考文献
8ΔI 噪声
8.1开关噪声
8.1.1电源分布网络
8.1.2开关电流的路径
8.1.3设计规则
8.2电源分布的滤波
8.2.1多层PCB的滤波
8.2.2电源分布网络阻抗的测量
8.2.3基于径向传输线理论的PCB电路模型
8.3地弹
8.3.1地弹的机理
8.3.2理解地弹机理的电路仿真
8.3.3 LVT基准的测量
8.4串扰和开关噪声
8.4.1具有三条耦合线和74AC04器件的SQ试验电路板的测量和仿真
参考文献
9 PCB的辐射发射
9.1数字信号的频率特征
9.1.1梯形波形的频谱
9.1.2典型噪声频谱
9.2辐射发射的问题
9.2.1导线天线的辐射
9.2.2共模电流和差模电流及其辐射
9.2.3传输线的不对称输入产生的发射
9.2.4传输线的差模电流和辐射发射
9.2.5传输线的共模电流和辐射发射
9.2.6镜像平面
9.3走线的发射
9.3.1计算微带线结构和带状线结构辐射的天线模型
9.4 IC的发射
9.4.1 PCB上元件的辐射发射机理
9.5实际PCB的发射
9.6具有连接电缆的PCB的辐射
9.6.1发射源
9.6.2 PCB中走线的电流和电压驱动机理
9.7作为发射源的差分驱动器
9.7.1差分驱动器的共模电流
9.7.2 UTP和SFTP电缆的辐射场机理
9.8复杂系统的发射
9.8.1同轴电缆的发射模型
9.8.2孔径的低频模型
9.9辐射波瓣图
9.10辐射发射的要点和设计规则
参考文献
10 PCB中的接地
10.1共模耦合
10.1.1什么是地？
10.1.2地环路耦合和传输阻抗
10.1.3接地技术
10.2多层PCB中的地和电源分布
10.2.1信号的返回路径
10.2.2电源层（PWR）和接地（GND）层的计划和布局
10.2.3变化参考平面的走线
10.2.4电源平面的分割
10.2.5壕沟／阻挡和桥
10.2.6缝合
10.3 PCB连接器的接地
10.3.1地噪声和传输阻抗
10.3.2管脚的分配
10.3.3 PCB到机壳的接地
10.3.4限制电缆发射的技术
10.4分区和建模
10.4.1建模具有驱动器的电源分布用于仿真
10.5 PCB中接地的要点和设计规则
11测量和建模
11.1时域反射表
11.1.1作为“闭环雷达”的时域反射表
11.1.2 TDR的分辨率和波程差
11.1.3 TDR和有耗线
11.1.4差模TDR
11.2矢量网络分析仪（VNA）
11.2.1散射参数的定义 
11.2.2网络分析仪的校准
11.2.3通过S参数的仿真提取等效电路
11.2.4有关网络分析仪测量和仿真的结论
11.3通过辐射发射测量预测模型的有效性
11.3.1 EMC试验室辐射场测量的不确定度和数值仿真
11.3.2建模辐射源
11.3.3有关辐射发射数值预测模型的有效性与测量比较的结论
参考文献
12差分信号传输和PCB上不非连续的建模
12.1差模信号传输
12.1.1单端传输与差分信号传输
12.1.2 PCB上使用走线的差分互连和ATCA标准
12.1.3差分器件：信号电平的比较
12.1.4差分信号的分布和终端
12.1.5 LVDS器件
12.2建模封装和PCB上互连的不连续
12.2.1多层板
12.2.2弯曲走线
12.2.3蛇形走线
12.2.4地槽
12.2.5过孔
12.2.6连接器
12.2.7 IC封装
参考文献
附录A部分电感的计算公式
A.1圆导线
A.2 母线
A.3应用电感计算公式的例子
参考文献
附录B微带线和带状线的特征阻抗、时延和衰减
B.1微带线
B.2带状线
B.3走线衰减和邻近效应参数
参考文献
附录C PCB的电源分布网络谐振的计算
C.1腔体模型
C.2 Spice模型
C.3数值模型
C.4仿真的结果
参考文献
附录D简单辐射结构的计算公式
D.1导线结构
D.2导线和接地平面
D.3孔径的发射
参考文献
附录E计算有限接地平面的部分电感的节点法
E.1节点法的等式
E.2应用节点法计算有限接地平面的部分电感
参考文献
附录F互联网上的文件
F.1第1章的程序文件
F.2第2章的程序文件
F.3第5章的程序文件
F.4第6章的程序文件
F.5第7章的程序文件
F.6第8章的程序文件
F.7第9章的程序文件
F.8第10章的程序文件
索引
样章
第1章 数字系统中的信号完整性和辐射发射概述
本章为概述性的章节，讨论了研究信号完整性(SI)和辐射发射(RE)的目的。
信号完整性是一个非常重要的任务，目的是确保电信号高质量的正常工作。信号完整性影响各级的电子封装，包括但不仅限于集成电路。对于高速数字产品，在集成电路(IC)的封装或者印制电路板（PCB）级，涉及信号完整性的主要问题是：由于互连线的不连续出现的反射，由邻近连接线感应的噪声（串扰）和由数字器件的开关产生的电源分布上的噪声。由于实际数字器件的快速开关，如果不通过控制参数，例如互连线（应认为是传输线）的特征阻抗和间距，来减小这些噪声，则所有这些噪声都会引起功能性的问题。本章列出了影响信号完整性的各种噪声，后面的章节将分别对不同的噪声进行详细的介绍和研究。
由于设备或系统在其使用环境中必须满足电磁兼容，因此我们必须关注该设备或系统产生的辐射发射。电子装置产生的电磁场会无意的传播到装置的外部空间，可能对装置的正常工作或附近其它装置的正常工作产生干扰。因此，设备或系统在进入市场销售之前，要对电子模块产生的辐射发射进行控制，以符合强制性的标准。在本章，重点讨论FCC第15部分和CISPR 22对数字系统产生发射的规定，并对测试的场地进行了介绍。特别强调了欧洲颁布的新的EMC指令2004/108/EC，该指令允许使用计算从而通过计算机仿真替代测量来证明产品符合发射和抗扰度的基本要求。研究了复杂数字系统的三个主要发射源（走线、集成电路和电缆）。给出了一个满足辐射发射要求的复杂系统的实例，并讨论了在屏蔽和非屏蔽的情况下其产生的发射频谱。通过使用简单的辐射结构表明了减小辐射发射的困难。
在本章的第三部分，定义了信号完整性的重要参数。给出了一些由于互连线上的反射，装置的电压和电流不满足规范时导致的数据错误的实例。给出一个评估信号抖动的眼图实例。
本章的最后一部分给出了适合用来预测信号完整性和辐射发射问题的方法的综述。讨论了数学的、电路的和数值代码仿真方法的优缺点。给出了本书中用仿真方法解决问题的列表。
1.1 电源和信号完整性
在电设计方面，电源和信号完整性涉及两个问题：信号的时序和质量。电源和信号完整性分析的目的是确保可靠的高速数据传输。通过使用制定的设计规则能够减小反射、串扰和开关噪声（ΔI噪声）引起的数字信号的时延和失真：
·反射指的是由数字器件的互连线的不连续引起的信号波形失真，如阻抗不匹配，短截线、过孔和其它传输线的不连续性。
·串扰指的是由其它线与信号线之间的容性和感性耦合产生的噪声。
·开关噪声指的是集成电路和其封装的电源网络的感应路径上的电压降，在信号线上感应的骚扰。该噪声通常也称为地弹、ΔI_噪声和同步开关噪声（SSN）。
由于相关的骚扰认为是系统的内部噪声，它们不会对环境或其它的附近设备或系统产生干扰，因此标准不会对电源和信号完整性进行控制。PCB设计者的任务就是制定一套设计规则以限制影响信号时序和质量的噪声。为了实现这个目的，就必需使用电路和数值仿真的方法。
评估这类问题的第一步是通过等效电路建模已放置了数字器件的PCB的物理结构。PCB要考虑的物理参数包含：宽度、厚度、以及互连线（走线）的间距；基板的介电常数；过孔或者孔洞的直径和间距。通常通过封闭表达式（如果可能），或者使用解场程序进行建模以计算需要的电感、电容和电阻。一旦知道这些线性网络参数，就能够计算需要的任何量，例如传输线的特征阻抗 (Ω),传输线的传输时延 (s)和传输线的耦合系数。