PCB电流与信号完整性设计 机械工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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美布鲁克斯，丁扣宝，韩雁 著

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• 电路设计
• 机械工业出版社
• 电子工程
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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111499978

商品编码：29482836357

包装：平装

出版时间：2015-06-01

基本信息

书名：PCB电流与信号完整性设计

定价：49.00元

作者：(美)布鲁克斯,丁扣宝,韩雁

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-06-01

ISBN：9787111499978

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书着重物理概念，避免复杂的数学推导，阐述了基本电路的电流源、电流造成的信号完整性问题，以及如何解决串扰和电磁干扰问题。主要内容包括：温度、PCB传输线、反射、耦合电流、功率分配、趋肤效应、介电损耗和通孔等，并给出了每个常见问题的实用设计方案。本书适合作为电子与通信工程及其相关专业的教材。对于从事集成电路设计、系统设计的工程技术人员来说也是一本很好的参考书。

目录

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出版者的话
译者序
前言
部分 电流的性质
　章 电子和电荷
　　1.1 电子流
　　1.2 原子结构
　　1.3 绝缘体
　　1.4 电荷场
　　1.5 磁场
　　1.6 驱动电流的力
　　1.7 电压与电流
　　1.8 电流方向
　　1.9 半导体空穴流
第2章 基本的电流概念
　　2.1 电流类型
　　2.2 传播速度
　　2.3 电路的时序问题
　　2.4 电流的度量
　　2.5 测量技术
　　2.6 热、噪声和电流阈值
　第3章 基本的电流定律
　　3.1 电流在回路中流动
　　3.2 回路中的电流处处恒定
　　3.3 欧姆定律
　　3.4 基尔霍夫定律
　　3.5 基尔霍夫第二定律
第二部分 基本电路中电流的流动
　第4章 电阻电路
　　4.1 电阻率
　　4.2 电阻的电流和相位
　　4.3 串联电阻
　　4.4 并联电阻
　　4.5 功率和能量
　　4.6 电阻分压器
　第5章 电抗电路：电容器和电容
　　5.1 电容的性质
　　5.2 电容的定义
　　5.3 电流'通过'电容器
　　5.4 AC电流'通过'电容器
　　5.5 位移电流
　　5.6 电容的欧姆定律
　　5.7 容抗与频率的关系图
　　5.8 电容的相移
　　5.9 电容器的组合形式
　　5.10 电容器功耗
　　5.11 电容公式
　第6章 电抗电路：电感器和电感
　　6.1 电感的性质
　　6.2 电感的定义
　　6.3 DC电流'通过'电感器
　　6.4 AC电流'通过'电感器
　　6.5 电感的欧姆定律
　　6.6 感抗与频率的关系图
　　6.7 电感相移
　　6.8 电感器的组合形式
　　6.9 电感器功耗
　　6.10 电感的一般公式
　　6.11 趋肤效应
　第7章 电抗电路：谐振
　　7.1 串联谐振
　　7.2 并联谐振
　第8章 阻抗
　　8.1 阻抗的含义
　　8.2 阻抗的大小
　　8.3 阻抗相位
　　8.4 串联RLC电路示例
　　8.5 并联RLC电路示例
　　8.6 功率因数
　　8.7 谐振时的RLC电路
　　8.8 谐振点附近R的影响
　　8.9 阻抗的组合形式
　第9章 实际元件和寄生效应
　　9.1 电阻器
　　9.2 电感器
　　9.3 电容器
　　9.4 元件间的耦合
　　9.5 自谐振
　0章 时间常数和滤波器
　　10.1 RC时间常数
　　10.2 L/R时间常数
　　10.3 RC滤波器
　　10.4 品质因数Q
　1章 变压器
　　11.1 磁场回顾
　　11.2 耦合效率-铁心
　　11.3 耦合效率-频率限制
　　11.4 耦合效应-匝数比
　　11.5 电流和阻抗比
　　11.6 变压器损失和效率
　　11.7 绕组极性：楞次定律
　2章 差分电流
　　12.1 概念
　　12.2 一些说明
　　12.3 差模和共模（奇模和偶模）
　　12.4 模式转移或转换
　3章 半导体
　　13.1 电子壳层回顾
　　13.2 半导体掺杂
　　13.3 半导体二极管结
　　13.4 齐纳二极管
　　13.5 通过二极管的电流
　　13.6 双极晶体管
　　13.7 场效应晶体管
第三部分 电压源和电流源
　4章 电压源和电流源
　　14.1 基本电压源和电流源
　　14.2 理想电压源和电流源
　　14.3 等效电路
第四部分 电路板上的电流
　5章 电流在电路板上的流动
　　15.1 信号电流
　　15.2 电源电流
　　15.3 返回电流
　6章 电流和走线温度
　　16.1 基本概念
　　16.2 历史背景
　　16.3 各种关系
　　16.4 熔断电流
　7章 电流反射
　　17.1 一个命题
　　17.2 基本问题
　　17.3 临界长度
　　17.4 传输线
　　17.5 终端
　　17.6 反射系数
　　17.7 耦合影响阻抗的方式
　　17.8 电流如何流动
　　17.9 差分电流如何流动
　8章 耦合电流/EMI/串扰
　　18.1 基本概念
　　18.2 天线
　　18.3 EMI
　　18.4 串扰
　9章 电流分布和旁路电容
　　19.1 问题的本质
　　19.2 传统方法
　　19.3 电源分布阻抗方法
　　19.4 采用哪种方法
　第20章 随频率变化的电阻和有损传输线
　　20.1 趋肤效应
　　20.2 介质损耗
　　20.3 传输线损耗
　第21章 电流和过孔
　　21.1 过孔功耗
　　21.2 过孔电感
　　21.3 过孔特征阻抗
　　21.4 过孔内的反射
　　21.5 盲孔和埋孔
　第22章 电流和信号完整性
　　22.1 历史视角
　　22.2 PCB设计规则
　　22.3 差分走线设计规则
　　22.4 过孔设计规则
　　22.5 相信这些设计规则的原因
　附录A 电流和麦克斯韦
　附录B 眼图
　附录C 电路板的消亡

作者介绍

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文摘

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序言

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电子系统设计的奥秘：从微观到宏观的深度解析 在当今这个科技飞速发展的时代，电子产品已渗透到我们生活的方方面面。智能手机、高性能计算机、先进的医疗设备、甚至是无人驾驶汽车，其核心都离不开精密的电子线路设计。而要实现这些复杂电子系统的稳定、高效运行，我们必须深入理解并精通“PCB电流与信号完整性设计”这一关键领域。本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，揭示电子系统设计中那些不容忽视的微观细节与宏观影响，从而助力工程师们突破设计瓶颈，迈向卓越。 一、电磁场的语言：电流与信号传播的基础 理解PCB设计，首先要理解电流的本质。电流并非仅仅是导线中电子的简单流动，它本质上是电磁场的运动。当电流在导线中流动时，会产生与其相关的磁场；而变化的磁场又会在导线中感应出电场，进而影响电流的走向。这种相互作用，构成了我们所称的电磁现象。 在PCB设计中，我们常常需要处理高频信号。高频信号的传播特性与低频信号有着显著的差异。在低频时，我们可以近似地将导线视为纯粹的电阻，电流的分布也相对均匀。然而，随着频率的升高，导线的电感和电容效应变得愈发显著，导线不再是简单的电阻，而是成为了一个具有传输线特性的结构。此时，电流的分布将不再均匀，而是沿着导线以波的形式传播。 理解这种电磁场的语言，需要我们掌握一些基础概念： 电场与磁场： 电荷产生电场，运动的电荷（电流）产生磁场。变化的电场和磁场是相互依存、相互激发的。 麦克斯韦方程组： 这是描述电磁场行为的数学基石，它揭示了电场、磁场、电荷密度和电流密度之间的精确关系。虽然在实际PCB设计中，我们不一定需要直接求解麦克斯韦方程组，但理解其内在逻辑对于深入理解信号传播至关重要。 传输线理论： 当信号的上升沿（或下降沿）时间与信号在导线上传播所需的时间相比，不再可以忽略不计时，导线就必须被视为传输线。传输线理论描述了信号在导线中的传播速度、阻抗、反射等现象。 二、信号的忠实传递：信号完整性的核心挑战 “信号完整性”（Signal Integrity, SI）是指信号在传输过程中，其波形能够准确、完整地保持，到达接收端时没有失真或降级。在高速数字电路中，信号的上升沿和下降沿通常非常快，这使得信号的传播过程更加复杂。一旦信号完整性出现问题，即使电路在物理上连接正确，也可能导致系统运行不稳定，出现逻辑错误，甚至无法正常工作。 导致信号完整性问题的关键因素包括： 反射： 当信号在传输线上遇到阻抗不匹配的点时（例如，传输线末端没有正确端接，或者连接器、元件焊盘的阻抗与传输线不匹配），部分信号能量会沿着传输线反向传播，形成反射。这些反射会与原始信号叠加，导致信号波形失真，产生过冲（overshoot）、下冲（undershoot）和振铃（ringing），严重时会使接收器误判逻辑电平。 串扰（Crosstalk）： 当两条或多条信号线靠得很近时，一条信号线上的快速变化会通过电场和磁场耦合，在另一条信号线上感应出噪声信号，这种现象称为串扰。串扰会影响接收信号的准确性，尤其是在信号线上存在高速切换信号时。 损耗（Loss）： 信号在传输过程中会因为导线的电阻、介质的介电损耗以及辐射损耗而衰减。频率越高，损耗通常越大。这会导致信号幅度减小，上升沿变缓，进而影响信号的接收。 地弹（Ground Bounce）和电源噪声（Power Supply Noise）： 当大量器件同时发生逻辑翻转时，会从电源和地平面抽取瞬时大电流。由于电源和地平面存在一定的阻抗，会导致电源和地平面的电位发生瞬时波动，即“地弹”和“电源噪声”。这些噪声会耦合到信号线，影响信号的完整性。 时序问题： 信号完整性问题还会影响信号到达接收端的时间，导致时序错误。例如，反射可能导致信号延迟，而串扰也可能引入不确定的延迟。 三、PCB设计中的关键实践：从布局到布线 要实现良好的信号完整性，需要在PCB设计的每一个环节都加以重视。 元件布局（Placement）： 元件的布局对信号完整性有着至关重要的影响。 高速信号路径最短化： 尽可能缩短高速信号的走线长度，减少传输线的影响。 敏感元件远离噪声源： 将对噪声敏感的元件（如低电平逻辑、ADC等）远离高频开关器件、时钟发生器等噪声源。 匹配阻抗元件靠近： 对于需要阻抗匹配的元件，如高速接口的差分信号对，其端接电阻或电容应尽可能靠近元件。 电源和地平面规划： 划分清晰、完整的电源和地平面，为高速信号提供良好的参考平面，降低阻抗，减少共模噪声。 走线策略（Routing）： 走线是信号完整性的直接体现。 等长处理： 对于差分信号对、多组并行的时钟信号等，需要进行等长处理，确保信号到达接收端的时间差在容许范围内。 控制阻抗： 根据信号的特性和PCB叠层结构，精确控制走线的特征阻抗，确保与驱动端和接收端的阻抗匹配。这通常需要遵循PCB厂商提供的叠层参数，并使用阻抗计算工具。 避免锐角弯折： 锐角弯折会改变走线的阻抗，引起信号反射，应尽量使用圆弧或45度角弯折。 避免并行走线过长： 长距离的并行走线是串扰的主要来源。当不可避免时，应增加线间距，或在它们之间插入地线（guard trace）。 地线回流路径： 信号在传输线上传播时，电流会在参考平面上形成回流。确保信号线有连续、低阻抗的地线回流路径，可以有效抑制串扰和减少地弹。避免信号线跨越不同的参考平面。 差分信号设计： 差分信号通过发送和接收两个极性相反的信号来抑制共模噪声，提高抗干扰能力。差分走线需要严格保持等长、等距，并且与地线紧密耦合。 电源完整性（Power Integrity, PI）： 电源系统的稳定性直接影响着电路的正常工作。 去耦电容（Decoupling Capacitors）： 在靠近IC芯片的电源和地引脚处放置不同容值的去耦电容，用于滤除电源噪声，补偿电源线上的瞬态压降，为芯片提供稳定的电源。 电源分配网络（PDN）设计： 设计低阻抗的电源分配网络，包括电源层、地层、过孔等，确保所有器件都能获得稳定、干净的电源。 电源和地平面的完整性： 保持电源和地平面的连续性和低阻抗，可以有效抑制地弹和电源噪声。 四、仿真与验证：确保设计的可靠性 在实际的PCB设计流程中，仿真和验证是必不可少的环节。 电磁场仿真： 利用专业的电磁场仿真软件（如Ansys HFSS, CST Studio Suite等），可以对PCB走线、叠层结构、元件封装等进行精确的电磁场分析，预测信号在传输过程中的反射、串扰、损耗等现象，提前发现潜在的信号完整性问题。 SPICE仿真： 对于电路层面的信号行为分析，可以使用SPICE仿真器模拟电路在不同激励下的响应，评估元件的性能和信号的动态特性。 PCB设计软件内置SI/PI工具： 许多主流的PCB设计软件（如Altium Designer, Cadence Allegro等）都集成了信号完整性和电源完整性分析工具，可以帮助工程师在设计过程中进行初步的检查和评估。 实际测量与调试： 即使经过了充分的仿真，实际的测量依然是验证设计的最终手段。利用高速示波器、矢量网络分析仪（VNA）等仪器，可以对PCB实板上的信号进行精确测量，分析信号的波形、时域和频域特性，找出实际存在的问题并进行优化。 五、面向未来的挑战：新材料与新技术的应用 随着电子产品性能的不断提升，信号频率也在不断攀升，这给PCB设计带来了新的挑战。 高频材料： 传统PCB材料（如FR-4）在高频下的介电损耗和介电常数稳定性不如一些高频材料（如RO4000系列、PTFE等）。选择合适的高频材料对于降低损耗、提高信号完整性至关重要。 先进封装技术： 随着芯片集成度的提高，封装技术也在不断发展，如BGA、CSP、SiP等。这些封装的引脚数量多、间距小，对PCB的布线密度和信号完整性提出了更高的要求。 5G、物联网等新兴技术： 这些技术通常涉及更高的频率和更复杂的信号处理，对PCB设计中的电磁兼容性、信号完整性提出了前所未有的挑战。 结语 “PCB电流与信号完整性设计”并非一个孤立的技术领域，它贯穿于整个电子系统设计的始终。从最初的原理图设计，到PCB的布局布线，再到最终的实板验证，每一个环节都息息相关。只有深刻理解电磁场的基本原理，掌握信号在传输过程中的各种现象，并将其转化为实际的PCB设计实践，我们才能设计出高性能、高可靠性的电子产品。本书将带领您一步步探索这些奥秘，为您在电子设计的道路上提供坚实的支撑和指引。

评分☆☆☆☆☆

拿到《PCB电流与信号完整性设计》这本书，我的第一感觉就是“专业”。作为一名在电子行业摸爬滚打多年的从业者，我深知PCB设计中电流和信号完整性的重要性，它们直接关系到产品的性能、稳定性和可靠性。这本书的内容非常贴合实际工程需求，完全没有那种“为了写书而写书”的空洞感。它从最基础的PCB电流密度和热设计讲起，深入分析了不同类型PCB走线在电流传输过程中可能遇到的问题，比如温升、压降，以及这些问题对器件性能的影响。接着，它就非常自然地过渡到了信号完整性部分，这是这本书的重头戏。我最欣赏的是书中关于阻抗控制的讲解，不仅仅是理论公式，更多的是结合实际生产工艺，告诉你如何在不同层数的PCB上实现精确的阻抗匹配，以及如何评估和测试阻抗。还有关于差分信号的设计，书中给出了非常详细的布局和布线规则，包括如何保持差分对的等长，如何避免共模干扰，这些细节对于保证高速数据传输的稳定性至关重要。此外，书中对于接地设计和去耦策略的讲解，也达到了相当的高度，它解释了为什么“单点接地”、“星型接地”等概念在实际中存在局限性，以及如何根据具体电路的特点设计出更优化的地平面结构。这本书的学习价值，对于任何希望提升PCB设计水平的工程师来说，都是巨大的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名资深的PCB工程师，我一直对《PCB电流与信号完整性设计》这类主题的书籍非常关注，因为它们直接触及到产品性能的底层技术。这次有幸接触到机械工业出版社的这本新作，我可以说，它的内容质量绝对是顶级的。首先，书中对于PCB电流承载能力和发热问题的分析，非常系统和深入。它不仅仅是给出公式，而是结合了实际的PCB板材、铜厚、走线宽度等因素，讲解如何计算电流密度，如何进行热管理，这对于设计大功率PCB产品至关重要。接着，本书对信号完整性的讲解，可以说是达到了一个全新的高度。我特别赞赏书中对于“眼图”的分析，它通过大量的实际眼图案例，详细解读了眼高、眼宽、抖动等参数的意义，以及如何通过PCB设计来优化眼图。这对于高速数字接口的设计，比如PCIe、USB等，是必不可少的知识。书中还详细阐述了串扰的产生机制，以及如何通过走线间距、屏蔽层等手段来降低串扰，这对于确保多条高速信号线同时工作时的稳定性非常关键。另外，关于PCB的电磁兼容性（EMC）设计，本书也提供了非常有价值的参考，比如如何设计良好的接地平面，如何避免形成EMI辐射环路，这些内容都是经验之谈，非常宝贵。这本书的内容，已经远远超出了入门级，更像是为有一定基础的工程师量身打造的进阶指南。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究高速PCB设计，所以特意买了这本《PCB电流与信号完整性设计》。坦白说，在阅读这本书之前，我对“信号完整性”这个概念总觉得有些模糊，感觉它太理论化，离实际操作有点远。但这本书彻底改变了我的看法。它用非常直观的方式，把原本抽象的信号完整性问题具象化了。例如，书中对“振铃”和“反射”的解释，通过模拟波形图，让我一眼就能看出问题所在，并且书中提供的解决方案，比如在走线末端添加终端电阻，或者调整走线长度，都是非常具体且易于实施的。更让我惊喜的是，书中还涉及到了EMI（电磁干扰）的分析，这一点很多同类书籍可能不会深入探讨。它详细分析了PCB设计中哪些环节容易产生EMI辐射，以及如何通过优化电源和地平面的设计来抑制EMI，例如通过增加电感的滤波作用，或者合理布置旁路电容。我尤其关注书中关于电源完整性（PI）的设计部分，它讲到了如何通过优化电源分配网络（PDN）来降低电压跌落，以及如何通过合理的去耦电容配置来应对瞬态电流的需求。这些内容对于我正在设计的项目中，要保证CPU等高速器件的稳定运行，具有非常重要的指导意义。这本书的内容逻辑严谨，讲解清晰，图文并茂，是实实在在的技术干货。

评分☆☆☆☆☆

这本书的质量是真的出乎我的意料，我一直以来在PCB设计领域摸爬滚打，接触过不少相关的书籍，但真正能让我眼前一亮，觉得“这才是我想看的”的，实在不多。这次拿到《PCB电流与信号完整性设计》，从封面到排版，都透着一股扎实的气息。翻开目录，看到的内容安排，就觉得作者是真正懂行，并且能把复杂的东西讲明白的人。那些关于PCB布局布线的黄金法则，如何优化走线，如何避免串扰和反射，以及在高频电路设计中必不可少的去耦电容和电源层、地层设计策略，这些内容都讲得极其透彻。而且，书中不仅仅是理论的堆砌，更多的是结合了大量的实际案例分析，那些图文并茂的例子，让我能直观地理解那些抽象的信号完整性概念。比如，书中对阻抗匹配的讲解，不光给出了公式，更重要的是解释了为什么需要阻抗匹配，以及在实际PCB上如何实现，这对我解决了很多长期困扰我的工程问题。尤其是关于电源完整性的部分，它深入浅出地讲解了如何通过合理的电源分配网络（PDN）设计，来减小电压跌落，提高电源的稳定性，这对于追求高性能和高可靠性的电子产品来说，简直是福音。读完这本书，我感觉自己对PCB设计有了更深层次的理解，不再仅仅是“画板子”，而是真正掌握了如何设计出高性能、低噪声的PCB。

评分☆☆☆☆☆

这次我入手了《PCB电流与信号完整性设计》，本来是抱着学习一些基础知识的想法，没想到它给我带来的惊喜远超预期。这本书的内容深度和广度都相当可观，特别是关于信号完整性（SI）方面，作者的处理方式让我耳目一新。我一直觉得SI是一个非常抽象的概念，很多资料讲解起来晦涩难懂，但这本书通过非常清晰的逻辑和生动的图示，把这些复杂的现象解释得非常到位。比如，书中详细阐述了反射、串扰、损耗等信号传输过程中常见的劣化因素，并且提供了切实可行的解决方案。我尤其喜欢关于“过冲”和“下冲”的分析，作者不仅解释了产生的原因，还给出了具体的PCB设计技巧来抑制它们，比如通过控制走线长度、阻抗和端接来实现。另外，关于EMI（电磁干扰）的章节，也给了我很大的启发。书中并没有简单地列举EMI的来源，而是深入剖析了PCB设计中哪些环节容易引发EMI，以及如何通过优化电源、地平面、信号线布局等方式来“治本”，而不是仅仅停留在“治标”的层面。读到关于EMI屏蔽和滤波的部分，我感觉自己掌握了一套系统的方法论，可以有效地在设计早期就规避很多潜在的EMI问题。这本书对于需要在高频、高速领域进行PCB设计的工程师来说，绝对是一本不可多得的宝典。