PCB电流与信号完整性设计[图书]

2.6　热、噪声和电流阈值 32
第3章　基本的电流定律 34
3.1　电流在回路中流动 34
3.2　回路中的电流处处恒定 34
3.3　欧姆定律 35
3.4　基尔霍夫第一定律 36
3.5　基尔霍夫第二定律 37
第二部分　基本电路中电流的流动
第4章　电阻电路 40
4.1　电阻率 40
4.2　电阻的电流和相位 41
4.3　串联电阻 42
4.4　并联电阻 42
4.5　功率和能量 43
4.6　电阻分压器 44
第5章　电抗电路：电容器和电容 46
5.1　电容的性质 46
5.2　电容的定义 46
5.3　电流“通过”电容器 47
5.4　AC电流“通过”电容器 47
5.5　位移电流 48
5.6　电容的欧姆定律 48
5.7　容抗与频率的关系图 49
5.8　电容的相移 49
5.9　电容器的组合形式 51
5.10　电容器功耗 52
5.11　电容公式 52
第6章　电抗电路：电感器和电感 53
6.1　电感的性质 53
6.2　电感的定义 54
6.3　DC电流“通过”电感器 55
6.4　AC电流“通过”电感器 55
6.5　电感的欧姆定律 56
6.6　感抗与频率的关系图 56
6.7　电感相移 57
6.8　电感器的组合形式 58
6.9　电感器功耗 59
6.10　电感的一般公式 59
6.11　趋肤效应 59
第7章　电抗电路：谐振 61
7.1　串联谐振 61
7.2　并联谐振 63
第8章　阻抗 65
8.1　阻抗的含义 65
8.2　阻抗的大小 65
8.3　阻抗相位 67
8.4　串联RLC电路示例 69
8.5　并联RLC电路示例 72
8.6　功率因数 74
8.7　谐振时的RLC电路 74
8.8　谐振点附近R的影响 75
8.9　阻抗的组合形式 76
第9章　实际元件和寄生效应 78
9.1　电阻器 78
9.2　电感器 78
9.3　电容器 79
9.4　元件间的耦合 79
9.5　自谐振 79
第10章　时间常数和滤波器 83
10.1　RC时间常数 83
10.2　L/R时间常数 86
10.3　RC滤波器 88
10.4　品质因数Q 91
第11章　变压器 93
11.1　磁场回顾 93
11.2　耦合效率—铁心 95
11.3　耦合效率—频率限制 95
11.4　耦合效应—匝数比 96
11.5　电流和阻抗比 97
11.6　变压器损失和效率 98
11.7　绕组极性：楞次定律 99
第12章　差分电流 100
12.1　概念 100
12.2　一些说明 101
12.3　差模和共模（奇模和偶模） 102
12.4　模式转移或转换 103
第13章　半导体 105
13.1　电子壳层回顾 105
13.2　半导体掺杂 105
13.3　半导体二极管结 106
13.4　齐纳二极管 107
13.5　通过二极管的电流 108
13.6　双极晶体管 109
13.7　场效应晶体管 110
第三部分　电压源和电流源
第14章　电压源和电流源 114
14.1　基本电压源和电流源 114
14.2　理想电压源和电流源 114
14.3　等效电路 114
第四部分　电路板上的电流
第15章　电流在电路板上的流动 118
15.1　信号电流 118
15.2　电源电流 118
15.3　返回电流 119
第16章　电流和走线温度 120
16.1　基本概念 120
16.2　历史背景 121
16.3　各种关系 122
16.4　熔断电流 123
第17章　电流反射 124
17.1　一个命题 124
17.2　基本问题 124
17.3　临界长度 125
17.4　传输线 126
17.5　终端 128
17.6　反射系数 129
17.7　耦合影响阻抗的方式 130
17.8　电流如何流动 134
17.9　差分电流如何流动 135
第18章　耦合电流/EMI/串扰 137
18.1　基本概念 137
18.2　天线 138
18.3　EMI 139
18.4　串扰 140
第19章　电流分布和旁路电容 147
19.1　问题的本质 147
19.2　传统方法 149
19.3　电源分布阻抗方法 150
19.4　采用哪种方法 155
第20章　随频率变化的电阻和有损传输线 157
20.1　趋肤效应 157
20.2　介质损耗 160
20.3　传输线损耗 161
第21章　电流和过孔 164
21.1　过孔功耗 164
21.2　过孔电感 165
21.3　过孔特征阻抗 166
21.4　过孔内的反射 167
21.5　盲孔和埋孔 169
第22章　电流和信号完整性 170
22.1　历史视角 170
22.2　PCB设计规则 171
22.3　差分走线设计规则 176
22.4　过孔设计规则 177
22.5　相信这些设计规则的原因 177
附录A　电流和麦克斯韦 179
附录B　眼图 181
附录C　电路板的消亡 183

.　　基尔霍夫第一定律（进入节点的电流等于流出节点的电流）。
　　基尔霍夫第二定律（回路电压之和为0）。
　　重要的是要认识到，即使需要求解最复杂的电路，从概念上说，上述这些就是所需要的一切。AC（交流）和电抗的引入增加了电路的复杂性，但从概念上说，增加得并不多。简单地将一个电路拆为n个独立的回路，用基尔霍夫和欧姆定律建立一个联立方程组，再使用矩阵代数求解。从概念上说，这很直观（说起来容易），电子与电气工程（EE）专业的典型课程包含了很多这方面的教材。EE课程体系的其他课程包括了如何实际求解那些电路问题和计算的技术。
　　第二部分包括各种电路概念，从电阻电路开始，接着是电抗电路（电容和电感），然后是阻抗（将所有这些元件组合在一起时所发生的）。其余章节包括时间常数、变压器、差分电流和半导体等内容。
　　重要的是注意到，实际上我们面对的仅有三种无源元件：电阻、电容和电感。从真正意义上讲，这些元件占据了频谱的特殊位置。电容在一端（当频率趋向无穷大时，阻抗趋于0，电压相移趋于–90°），电感在另一端（当频率趋向无穷大时，阻抗趋于无穷大，相移趋于+90°）。电阻占据两者之间的特殊位置（阻抗与频率无关，相移为0）。这三个事实放之四海皆准，永远不会改变。
　　第三部分包括电压源和电流源。如果我们想得到电流（即电子流），那么需要知道电子从哪里来以及如何迫使它们移动。
　　第四部分处理由印制电路板引入的特定问题。大多数（应该承认不是全部）电子系统里面都有电路板。如果频率足够高（或者如我指出的，真正的问题是如果上升时间足够快），或者电流足够大，电路板将会出现哪些需要处理的特殊问题。
　　各章节包括了像电流和走线温度、传输线和反射、耦合电流/EMI/串扰）、电流分布、趋肤效应、介质损耗以及过孔等内容。
　　最后要说的是，最后一章处理了由电流引起的信号完整性问题。在我的职业生涯中，关于电路板信号完整性问题在电子行业的发展中经历了四个阶段。第一个阶段微不足道，没有任何问题；第二个阶段主要涉及电路板自身电感引起的问题；第三个阶段涉及高频引起的视在电阻的变化（即趋肤效应或介质损耗），这些不是真正的电阻改变，但它们的表现就像是电阻变化了；第四个阶段发生于谐波频率非常高以及波长非常短的情况下，以致在如此短的物理距离内极难求解。第22章介绍了处理这些问题的各种设计方法。
　　本书还有三个附录：附录A涉及麦克斯韦方程组和位移电流的概念；附录B介绍并给出了眼图的简要解释；附录C更多的是个人笔记。在我的职业生涯中，我多次听说过关于PCB消亡的预测，但每一次他们都错了，且总是由于相同的原因，附录C给出了我的观点并解释了理由。
　　但当你认识到当今几乎所有的电子元器件都是在电路板上互连的，我相信读者面看起来就不会窄了。无疑，在电视机和计算机中有电路板，在报警器、灌溉控制、调光器、洗衣机和烘干机、冰箱、烤箱、定时器、时钟，以及不计其数的其他产品中也有电路板，且谁又能数得清现代汽车中有多少块电路板呢？
　　读者对象
　　本书是针对PCB设计人员和可能成为PCB设计人员的人们编写的。本书没有严格的EE专业学位课程所要求的深度。然而，它对在其他学位课程中重视电子学简介的学生是有益的。这样的课程可见于大学层次、贸易学校层次、社区学院或针对现在的设计人员以增加他们基础知识的特定课程中。不管是什么原因，对当初在学校里初次学到的知识已感觉“生疏”的工程师们而言，本书也是有益的。
　　本书有意以简单易懂的方式来写作，将数学认证最小化。电子学的性质是电子的流动，是随时间变化的现象，按照定义，这涉及微积分的情形。我敢肯定EE专业的学生在受教育阶段学到的微积分知识比他们曾认为的要更多。一些公式的使用是不可避免的，欧姆定律就是其中一个，但我试图尽量少地使用公式，而仅使用本领域中我认为最重要的那些。
　　致谢
　　我已经在PCB设计行业工作20多年了。在这段时间里，有很多人帮助、指引我成长，因此我也希望寻求有助于该行业和从业人士成长的方式。尤其是Pete Waddell先生鼓励我先写些文章，然后开办研讨会，并提供给我进行这些工作的交通工具，本书正是起始于那个早期鼓励的最终成果。
　　在此过程中，很多与我有关的人总是帮助和鼓励我，我也从中学到了很多。他们涉及所有参与关于信号完整性问题研讨会的人们，人数太多而难以统计和提及。
　　Dave Graves是我满20年的合作伙伴，我很感激他这么多年来的支持和奉献。我也经常给他看我写的文章和报告的草稿，我无法告诉你当他的回应是“不得要领！你在想说什么？”时，我曾经从头开始了多少次。由于他的评述和支持，一切都变得更好。由于我已经退休了，我们也已经在各走各的人生路，但我依然怀念那段友谊。
　　我也要感谢三家供应商，他们这些年来对我的文章和研讨会活动提供了慷慨的支持。Mentor Graphics公司、HyperLynx公司（现在是Mentor的一部分）和Polar Instruments公司当我需要软件许可和技术支持时总是随时给我提供帮助。我感谢他们在进行这些支持时没有试图通过任何方式对我施加任何控制。
　　我享受书稿的写作过程，现在完稿了，我感慨良多，但有很多人是“真正地”对这个项目的最终完成感到高兴，特别是我非技术背景的妻子，她觉得或许现在我可以真正退休了。
　　最后，我感谢来自Prentice Hall出版社的Bernard Goodwin先生的支持和鼓励，这是他第二次帮助并指导我完成出版流程，我期望他和读者一起来判定这一切都是值得的。