电源完整性 9787111546238

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《电源完整性》由机械工业出版社出版。

作者简介

作者:(美国)史蒂文·M.桑德勒(Steven M.Sandler) 译者:梁建 羊杨 蒋修国

史蒂文·M.桑德勒(Steven M.Sandler),在高可靠电子领域有近40年的工作经验。他写了很多有关电源完整性和分布式系统的文章,他的著作还包括《SMPS Simulation with SPICE 3》《Switch—Mode Power Supply Simulation:Designing with SPICE 3》,以及与人合著的《SPICE Circuit Handbook》。这些书都由McGraw—Hill出版。
梁建,兴森科技—安捷伦联合实验室主要成员,北美客户仿真与测试项目负责人,EDA365技术论坛的双料版主。长期从事SI/PI仿真与测试工作,精通高速串行/DDR/背板/夹具/电源系统的设计、仿真与测试。曾赴美国加利福尼亚州处理Intel、Ericsson、Baidu等重要客户的仿真与测试项目。
羊杨,兴森科技—安捷伦联合实验室主要成员,25G项目研发的负责人。擅长高速无源链路设计以及高速连接器,板材的评估测试,并致力于高速设计相结合的PCB制造工艺研究,对高速接口测试及相关规范指标有深入的了解。
蒋修国,先后在兴森科技—安捷伦联合实验室和设计公司担任SI/HW工程师,现任某通信公司高速互连设计仿真部门和实验室负责人,SI—PI_EMC(信号完整性)微信公众号负责人兼作者。多年从事SI/PI/硬件设计工作,曾主导设计大型服务器、多路大容量交换机、存储设备以及10G/25G高速背板,擅长IT通信主板/背板/夹具的设计以及SI/PI仿真建模与测试。

目录

译者序
致谢
第1章引言1
1.1你将从本书学到什么1
1.2谁将从本书受益2
1.3本书的通用版式2
1.3.1为什么测量2
1.3.2获得或验证数据2
1.3.3设计、选择、优化4
1.3.4故障诊断4
1.3.5确认或验证5
1.3.6术语6
第2章测量艺术7
2.1无损的原因7
2.2不影响结果的测量7
2.3验证测试装置和测量限制8
2.4以高效和直接方式测量9
2.4.1非侵入式测量与侵入式测量9
2.4.2在线测量9
2.4.3间接测量与直接测量10
2.5测量的完整归档10
2.5.1测试工程师的名字和联系方式10
2.5.2测试的目的11
2.5.3仿真或预测的结果是否可用12
2.5.4测试日期和物理位置13
2.5.5运行测试的环境和条件13
2.5.6每种测试设备的名称(包括探头)和校准周期13
2.5.7装置的框图或图片13
2.5.8测量注释和说明14
2.5.9任何观测到的异常14
2.5.10结果和任何后续工作的总结14
第3章测量基本原理15
3.1灵敏度15
3.2本底噪声16
3.3动态范围17
3.4噪声密度20
3.5信号平均23
3.6标度25
3.7衰减器27
3.8前置放大器28
3.9测量域30
3.9.1频域30
3.9.2增益和相位30
3.9.3S参数30
3.9.4阻抗31
3.9.5时域31
3.9.6频谱域33
3.9.7测量域的比较34
3.10尾注36
第4章测试设备37
4.1频率响应分析仪和矢量网络分析仪38
4.1.1OmicronLabBode10038
4.1.2AgilentE5061B39
4.2示波器39
4.2.1TeledyneLecroyWaverunner6Zi39
4.2.2Rohde&SchwarzRTO104440
4.2.3TektronixDPO700041
4.2.4TektronixDPO72004B41
4.2.5TeledyneLecroyWavemaster8Zi41
4.2.6TektronixMSO520442
4.2.7TeledyneLecroyHDO610443
4.2.8TektronixMDO4104—644
4.2.9OmicronLabISAQ10044
4.3频谱分析仪45
4.3.1TektronixRSA5106A45
4.3.2AgilentN9020A46
4.3.3AgilentE5052B46
4.4信号发生器47
4.5TDR/TDTS参数分析仪48
4.5.1PicotestG5100A48
4.5.2TektronixDSA8300/80E1048
4.5.3TeledyneLecroySPARQ4012E50
4.5.4AgilentE5071C50
第5章探头、注入器和互连52
5.1电压探头52
5.1.1探头电路相互影响53
5.1.2探头响应平坦化55
5.1.3测量确认56
5.1.4选择电压探头57
5.1.5无源探头58
5.1.6有源探头59
5.1.7差分探头60
5.1.8特殊探头60
5.1.9其他连接68
5.2尾注68
第6章分布式系统69
6.1电源稳压器的噪声路径70
6.1.1内部噪声70
6.1.2电源抑制比72
6.1.3输出阻抗74
6.1.4反向传输和串扰74
6.2控制环路的稳定性75
6.2.1对输出阻抗的影响76
6.2.2对噪声的影响76
6.2.3对电源抑制比的影响77
6.2.4对反向传输的影响77
6.3差的稳定性如何传入系统78
6.4尾注82
第7章阻抗测量83
7.1选择一种测量方法83
7.1.1单端口测量法83
7.1.2两端口测量法94
7.1.3电流注入器测量107
7.1.4阻抗适配器108
7.2尾注113
第8章测量稳定性115
8.1稳定性及其必要性115
8.1.1控制环基础知识115
8.1.2增益裕量、相位裕量、延时裕量以及稳定性裕量116
8.1.3伯德图和奈奎斯特图117
8.1.4开环测量121
8.1.5注入设备122
8.1.6探头124
8.1.7闭环测量129
8.1.8上电和断电测量129
8.1.9正向测量130
8.1.10小环路增益130
8.1.11非侵入式闭环测量133
8.2尾注136
第9章PSRR测量137
9.1测量方法137
9.1.1在线或离线测量137
9.1.2直接或间接测量138
9.2输入调制138
9.2.1线路注入器139
9.2.2电流注入器142
9.2.3DC放大器143
9.3选择测量域143
9.3.1矢量网络分析仪143
9.3.2频谱分析仪143
9.3.3示波器144
9.3.4探头和灵敏度144
9.4尾注150
第10章反向传输和串扰151
10.1不同拓扑结构的反向传输151
10.1.1串联线性稳压器151
10.1.2并联稳压器152
10.1.3POL稳压器153
10.1.4运算放大器153
10.2调制输出电流153
10.2.1电流注入器154
10.2.2DC偏置注入器154
10.3测量输入电流154
10.4测量输入电压156
10.5间接测量157
10.6尾注162
第11章阶跃负载响应测量163
11.1瞬态的产生163
11.1.1电流注入器和电子负载163
11.1.2斜率164
11.1.3电流调制波形166
11.2测量响应167
11.2.1大信号与小信号168
11.2.2注意平均168
11.2.3采样率和时间刻度170
11.3尾注175
第12章测量纹波和噪声176
12.1选择一种测量方法176
12.1.1系统内测量与系统外测量177
12.1.2直接测量与间接测量177
12.1.3时域测量与频域测量177
12.2互连设备177
12.2.1示波器无源探头178
12.2.2示波器有源探头178
12.2.3直接使用50Ω端接178
12.3选择设备179
12.4平均模式和滤波192
12.5尾注193
第13章边沿测量194
13.1带宽与上升时间194
13.1.1上升时间的级联197
13.1.2工作带宽与滤波器的影响200
13.2采样率与交错采样202
13.3内插203
13.4同轴电缆204
13.5探头连接的重要性206
13.6PCB因素208
13.7探头208
13.8尾注212
第14章用近场探头排除故障213
14.1电磁辐射基本理论213
14.2近场探头214
14.3探头和方位215
14.4测量仪器217
14.5频谱门限217
14.6尾注229
第15章高频阻抗测量230
15.1时域230
15.2校准231
15.3参考面232
15.4设置TDR脉冲上升时间235
15.5TDR测量结果的分析237
15.6评估电感和电容240
15.7S参数测量245
15.8尾注247

序言

译 者 序正如本书作者所说,写这本书是一项重大的任务,组织翻译本书也不简单。机械工业出版社的张国强和我是认识多年的朋友,有一天他问我有没有兴趣翻译市场上最新出版的一本电源完整性方面的书籍。对于我这个从未著书立说过的凡夫俗子来说,当然有兴趣一试。虽然在多年之前博客盛行的时候,我也从俗写过几年的博客,其中也花心思翻译了一些文章,但终归是不成体系。另一方面,几年前也曾经组织翻译另一本关于电源配送网络的书籍(作者是Istvan Novak),可惜半途而废。这一次想着通过翻译本书,对翻译一本完整的书籍多少算是一点交代。
国内关于这类主题的第一本流行和普及开来的书是Howard Johnson写于1993年的《高速数字设计》,这本书可以说是真正意义上的信号完整性的开篇之作。这本书出版后的20年恰好是高速数字电路蓬勃发展的20年,它也因此成了无数工程师的工具书和引经据典的必然参考。这本书最早在国内翻译出版是10年以后的事,也就是2004年,跟国内的高速发展现状和需求基本是同步的。当时,华为的高速实验室刚组建不久,国内还没形成高速互连这一较细的分工。当然,在此后的几年里,高速的概念开始渐渐普及,各种信号完整性书籍陆续翻译出版。
到目前为止,几乎稍有规模的通信企业都或多或少地组建了高速互连团队,对信号完整性的认识也相对比较完善了,而电源完整性的一些问题则渐渐凸显,开始提上台面。相对于信号完整性来说,电源完整性是既陌生又熟悉的领域。说熟悉是因为所有的电子系统都需要电源,大家每时每刻都在跟电源打交道;说陌生,是因为对于电源有高要求的场合,比如低纹波、低噪声、快速响应等,电源又会成为棘手的问题。对于目前已很常见的高速高密度应用来说,如何满足电源完整性要求已成为一个挑战。
对于当下的应用来说,低电压、大电流已成为一个基本趋势,但恰恰是这一现状,对电源完整性提出了非常高的要求。你不得不从整个电源配送路径上考虑问题,尤其是高速芯片BGA区域的电源路径。这一区域的电源平面阻抗要求非常苛刻,但你又必须在因密集的扇出过孔而造成的支离破碎的电源平面和很难在引脚处加上去的去耦电容现实面前做出选择。也许选用电容材料是个解决思路,但瞬间提高的成本又成为拦路虎。同时,如何很好地确定电源平面的目标阻抗也是一个难题,并不像书上说得那么理想,去耦效果和成本之间必须做出很好的折中。
当然,本书并没有纠缠在电源平面阻抗这一细节里,而是从测量的角度出发,全面阐述了电源对系统所产生的影响,使得原本比较有针对性的电源完整性这一专业术语,扩展到整个供电路径上的电源品质和影响这一层面上。作为一名有10年以上测量经验的同行来说,我深知测量的意义,尤其是这几年负责兴森快捷的高速实验室,得益于公司的大力支持,每年花费几百万元经费,详细研究了PCB技术对高速链路的影响,对于一些书本或网络上似是而非的结论,完全体会了“纸上得来终觉浅,绝知此事须躬行”的古训。当然,这些研究工作的价值已经在25Gb/s高速互连的各种应用上体现出来。
作为一本基于大量实验和测试数据的工程书籍,本书的作者并没有以自己几十年的工作经验作为依据,而是为此书付出了大量的精力和金钱,这种出书的严谨态度是值得学习的。尤其是在当下快文泛滥的风气下,能潜下心来,投入巨大资源,写一本书是不容易的。恰好这几年国内的高速芯片也获得比较快速的发展,封装和芯片的电源完整性设计已成为专门的职业。本书虽然不是针对封装和芯片设计来的,但是对于芯片应用层面来说,仍然具有典型参考意义。
当然,得益于这几年芯片的巨大进步,测量技术也获得了长足的进展,本书中关于测量设备的一些结论有些已经过时,针对这些内容,我们也已做了相关的勘误和补充,以期让读者能更全面更正确地认识电源完整性测量技术。
本书的翻译分工如下:第1章,邓宝明(网名stupid,下同);第2、9章,羊杨(阿笨);第3章,郗亚东(xyd20405);第4、5章,杨安毅(coziness_yang);第6、12章,蒋修国(菩提老树);第7章,谈炯尧(True);第8章,李劲松(Colin);第10、15章,梁建(qingdalj);第11章,王泽龙(agrilseven);第13章,张迪(ingwt);第14章,蒋方(若华)。最后,全书由梁建、蒋修国、邓宝明审校。
本书有多位译者,每位译者的水平和行文风格很难完全一致,导致审校小组尽力做了修正,但限于译者水平,书中难免有错误和疏漏,恳请读者批评指正。
最后,感谢所有为本书出版做出努力的人,同时希望本书能给大家的工作带来帮助。
邓宝明致谢写本书是一项重大的任务。当然写任何一本书都要费工夫,尤其是需要使用大量必要的仪器进行测量并找到理想的例子。本书中的很多观点较新,所以很多描述必须非常清晰和简要。这项工作需要很多人和公司的大力支持。没有这种支持,我永远都不可能完成此书。我记录下了为这本书审稿的同行评审专家并衷心感谢以下公司和个人,如果有被我遗漏的人,我诚恳地向他们致歉。
感谢本书编辑Michael McCabe,以及McGraw-Hill的全体同仁,是他们给了我机会写这本书来讨论这些尚未得到足够关注的话题。特别感谢他们对本书使用彩色印刷。感谢本书的项目经理Kritika Kaushik,她做了大量的工作才使本书面世。
感谢我的好友和长期的生意伙伴Charles Hymowitz—— Picotest负责销售和市场的副总,AEi Systems公司的CEO。他读了每一页,并做出修改或给出建议,还提出了很多建设性的意见。这里不再赘言,总之十分感谢。
作为朋友和销售伙伴,Omicron Lab的Bernhard Baumgartner、Florian H?mmerle和Wolfgang Schenk提供了一如既往的支持,包括用他们的设备进行无损测量,感谢他们的有益意见和建议。
Tektronix公司的Mark Roberts、Stacy Hoffacker、Mike Mende、Amy Higgins和Tom Lenihan给了我很大帮助,无论是讨论设备,回答问题,还是安排租赁仪器的运送。他们也提供了很多意见和建议。
Agilent科技有限公司的David Tanaka、Yasuhiro Mori、Eileen Meenan和Hiroshi Kanda,不仅对他们的设备提供了丰富的技术资料,还乐于与我分享这些知识。同时感谢他们提供外借仪器的运送。
Rohde & Schwarz公司的Dan Burtraw、 David Rishavy和Mike Schnecker把他们的RTO1044示波器借给我,回答了很多问题,提供了很多真知灼见。
Teledyne Lecroy公司的Bob Hahnke、Steve Murphy、Stephen Mueller和KathleenWoods提供了演示设备,并给出了意见和建议。
Picotest公司的Hawk Shang慷慨提供了精密的通用仪器,包括Picotest信号注入器。感谢他所做的一切。
Power Electronic Measurement公司的Chris Hewson提供了本书中使用的CWT015探头,并总体上回答了我关于Rogowski电流探头的问题。
AEi Systems公司的Paul Ho、Nazila Arefazar、Cesar Redon、Gordon Leverich、Michael Lui、Shivam Patel、Sahar Sadeghi、Josh Behdad、John Aschennbrenner和Tom Boehler,以及How2Power.com的Dave Morrison,感谢你们的意见和建议。感谢AEi Systems公司的Tim Guzman提供的图片。
Shawn Winchester和Artescapes提高了本书的示波器和频谱分析仪图片的质量,使它们更加清晰而直观。Shawn还负责Picotest的日常运营,好让我专心写书。
对所有的朋友说一声感谢,没有你们就没有这本书。
图片来源:Elena Schweitzer/123RF.com在2013年5月游玩奥地利期间,我和Bernhard Baumgartner、我女儿Rachel Sandler以及其他一些人在一座中世纪城堡用餐,我们讨论了在当下如何让书籍畅销的问题。最后的结论是:为了实现这个目标,本书必须有龙。不是其他龙,而是中世纪的龙。我不迷信,但我希望用下图带来好运,使本书更畅销。

文摘

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ISBN9787111546238
出版社机械工业出版社
作者史蒂文·M.桑德勒 (Steven M.Sandler)
尺寸16