《高速电路信号完整性分析与设计》前言

　　前 言

　　在信息时代，互联网的不断发展，多媒体信息流量呈爆炸式增长，通信系统和通信网络的速度不断提高，电子系统和电路全面进入1GHz以上的高速高频设计领域。在实现VLSI芯片、PCB和系统设计等过程中，高速数字电路的电气性能和信号完整性问题，已经成为当今电子与通信领域设计的一个瓶颈。对于许多缺少高速电路设计知识和经验的人来说，高速电路设计似乎是一项“神秘”的工作。

　　高速电路设计是一项非常复杂的过程，随着系统设计的复杂性和集成度的大规模提高，高速电路产生的传输线效应和信号完整性问题经常会使传统方法设计的数字电路无法工作。网络通信与电子技术的飞速发展使得高速电路设计技术已经成为电子系统设计工程师必备的手段。近些年国内外的大量的研究成果，构成了高速电路设计的一个新型学科。

　　高速电路设计的信号完整性问题，一般分为两个大的应用方面：芯片设计与封装和PCB板设计。随着越来越多的电子器件被封装到芯片中，或越来越多的硬件电路采用FPGA来实现，PCB板的设计是否会变得过时?当每次在系统级的集成有突破时，都有类似的讨论。集成度的提高是由系统信号速率或频率越来越高、系统越来越复杂为前提的。支撑摩尔定律的光刻和IC制造工艺不断进步，意味着片上的特征尺寸的不断减小。这种减少产生两个深远影响：一是芯片门数不断增加，以至于在同样成本、同样尺寸的芯片上可以有更强的功能。另外，当门的沟道长度减小时，门的开关时间会减少。短的开关时间意味着输出驱动器上升时间变短，时钟频率可以更高。这样随着上升时间的变短，所有与信号完整性相关的问题都变得更加严重。

　　信号完整性问题研究的是物理互连对信号和电源分布的影响。物理互连包括IC设计时的线路延时、IC封装、PCB板、接插件、电缆等中的连接问题。当上升时间下降到1ns以下时，互连就不再是透明的了，或者说当互连构成电大尺寸时，互连都需要采用传输线理论进行分析。

　　高速电路的工程设计过程中，一般要充分利用四种重要的技术途径：经验法则、解析近似、数值仿真和实际测量。它们的准确度和难度各不相同，每个都很有一定作用，可以适用于不同场合。经验法则是基于定性层面上，数值仿真是在计算技术发展到今天的结果，是定量的分析与设计，解析近似是介于二者之间的。对于大规模的高速通信系统，实际测量只能建立在系统基础上，局部信号的测量只能是采用专家系统来完成。所以建立在仿真设计软件基础上的数值仿真，能对每一步的工程设计工程实行有效控制，就显得尤其重要和必要。

　　本书结合国内外最新研究成果编著而成。以数值仿真分析与设计的相关环节为全文的思路，在重点讲述高速数字电路设计的电磁场理论、传输线理论等基本理论和基本知识的前提下，针对高速电路的信号完整性的理论进行了讨论。主要是分析与研究了高速电路信号完整性的一些现象产生机理，并提出了相应的解决办法。本书分为12章，具体安排如下：

　　第1章，绪论，本书问题的提出和对国内外研究现状进行简要分析;第2章，高速信号完整性的基本理论，介绍本书所涉及到的基本电磁理论和高速信号的基本知识以及信号完整性的理论基础知识;第3章，高速逻辑电路分析，对高速TTL电路、高速CMOS电路、ECL逻辑电路、LVDS器件与电路高速逻辑电路使用规则等进行了阐述;第4章，高速信号的反射分析，重点对信号反射的机理、产生反射现象的因素和抑制反射的一般方法进行了分析;第5章，高速信号的串扰分析, 主要就串扰产生的机理、影响串扰的因素、高速信号的串扰分析、以及串扰的仿真分析方法进行讨论;第6章，高速信号的开关噪声分析，给出了同步开关噪声的概念、分析了产生同步开关噪声原因、并对降噪电路的设计以及降低开关噪声的措施进行了讨论;第7章，高速信号的时序分析，主要内容包括共同时钟同步的时钟分析、源时钟同步的时序分析、时钟驱动器、时钟抖动以及PCB布板与时序设计;第8章高速信号的EMC分析，主要内容包括电磁兼容中的接地技术、电磁兼容中的屏蔽技术、电磁兼容中的滤波技术以及PCB板中的电磁兼容设计;第9章，高速信号的电源完整性分析，内容包括电源完整性概述、电源分配系统设计、电源系统中电路板设计和电源系统的杂讯干扰;第10章，信号完整性仿真分析模型，主要对IBIS模型的语法结构、IBIS模型的建立途径、IBIS模型的验证方法、IBIS模型的应用举例以及IBIS模型与信号完整性的关系进行阐述;第11章，基于信号完整性的高速PCB仿真设计，给出了高速PCB设计的基本概念，重点讨论了高速电路的端节设计和高速电路的差分设计方法;第12章，信号完整性分析常用工具，主要介绍了信号完整性分析和设计中的常用仿真软件，包括APSIM仿真软件、ADS仿真软件、SERNADE仿真软件、HYPERLYNX仿真软件和CADENCE仿真软件。

　　本书在编撰过程中，参考了近几年国内外有关高速电路设计及应用方面的书籍和文献，这些文献和资料均列在文后的参考文献中，对于这些被引用书籍的作者对本书完成所起的重要作用与贡献，我们表示诚挚的感谢和敬意。

　　本书由 担任主编。第1、2、11、12章由 编写，第3、4、5、6章由 编写，第7、8、9、10章由编写。博士生 硕士生

　　本书既可作为大专院校电子与通信类相关专业本科生或研究生的教材，也可作为从事其它专业的广大青年、工程技术人员学习了解高速电路设计的理论和应用实践的参考书。

　　本书得到武汉理工大学研究生教材出版基金资助。

　　本书在编写中，得到电子工业出版社的支持和帮助，在此表示感谢。

　　由于时间仓促，水平有限，如有不当之处，敬请指正。

　                                                  　　                                                  　　                                                          　编 者

　　　                                                  　　                                                  　　                                                  　2008年5月