本书汇集了Eric Bogatin在设计中如何发现、修复和避免信号完整性问题的新技术。Bogatin以面向工程师、研究生的培训教材为蓝本，系统地阐释了信号完整性、电源完整性及电磁兼容性等六类电气完整性问题的表象与根源，展示了在高速电路研发前期如何采用最佳准则和技术预防并排除各种不完整问题。书中强调直觉理解、实用工具和工程素养，并未偏重于严密的数学论证推导。为了加深理解、评判与检测能力，第三版的各章末尾都增列了复习题，并在附录D给出了答案。Bogatin基于指导130多名研究生的经验，新增许多高速串行链路的内容，并展示了更多免费软件工具示例。

内容特色
●全新的信号完整性及物理设计概论
●不同的设计和工艺对电源分配网络的性能的改善或破坏
●平面阻抗、扩散电感、去耦电容器、电容器的回路电感等重要概念
●分析电阻、电容、电感和阻抗的实用技术
●采用电路仿真器QUCS预测受互连阻抗影响的源电压波形 
●应用免费动画工具识别反射和串扰
●求解信号完整性问题的途径：经验法则、解析近似、数值仿真和测量
●理解互连的物理设计如何影响信号完整性
●对差分对及其损耗的管控技术
●在高速串行链路中应用S参数的全部功能
●用于高速串行链路设计、差分对及其损耗分析的眼图新技巧
●在整个电源配送路径中确保电源完整性
●改善信号完整性的实用设计指南


译  者  序
广义信号完整性，又称为电气完整性(Electrical Integrity)，是指所有与数字信号完整性相关的分析与设计技术，其中包括信号的波形噪声和时序抖动，电源的地弹和纹波，以及场与路之间的干扰和抗干扰等。
2003年9月，Eric Bogatin所著的本书第一版问世，其深入浅出、雅俗共赏的大家风范得到读者的一致好评。其中译本自2005年出版后，深受中国广大工程技术人员的普遍欢迎。
当前，国内对信号完整性的研究开发堪称斗转星移，读者对国外著作的需求也已今非昔比。因此，我们依然珍惜这次第三版中译本的出版契机。本着为读者呈现精品的宗旨，结合译者15年间采用本书前两版的教学体验，推敲琢磨，竭力使译文更好地贴近“信、达、雅”的准则，少留缺憾。
与本书第一版相比，第二版新增了第12章和第13章，将信号完整性拓展到电源完整性领域。第三版除了对正文的斟酌更新、补充完善和拓展延伸，在每章的末尾都添加了复习题，并在附录D中给出了复习题的参考答案。这样，读者在学习时可以加入考查环节，以厘清对内容的理解，并尝试采用分析技术有针对性地解决工程问题。目前，广义信号完整性分析与设计技术已被国内业界掌握并应用，然而这一研发领域仍有不断深化的空间和提升的前景。
第三版的翻译工作仍由西安电子科技大学电路CAD研究所里研究信号完整性的教师和部分博士生、硕士生共同完成，并由李玉山统稿、审校和定稿。参与翻译的人员有：刘洋、初秀琴、路建民、王君、李先锐、尚玉玲、董巧玲等。另外，索之玲、寻建晖、辛东金、戴翔宇、张超余、张文博、赵国荣等参加了部分相关工作，在此一并表示感谢。电子工业出版社马岚编辑的使命感和敬业风范是本书出版的品质保障。
本书的出版得到国家自然科学基金（No.61871453、No.61501345、No.61301067、No.61102012、No.60871072和No.60672027）、教育部博士点基金（No.20050701002）、教育部“超高速电路设计与电磁兼容”重点实验室基金、西电是德(Keysight)高速电路信号完整性联合实验室，以及西安电子科技大学研究生院的立项资助。恳切希望读者在学习及使用中予以检视和指正！
本书适合作为电子通信类学科专业博士生、硕士生或本科生的“信号完整性分析”课程的教材。此外，本书也适合作为电子系统与电路设计工程师解决电气完整性问题的技术参考书。

李玉山2019年1月于西安电子科技大学

第三版前言

与本书第二版相比，第三版有一个非常重要的增补：在每一章末尾都附上一批重点考查题，籍以加深读者对本书知识的理解。
大学生和工程师将受益于这个契机，认真查看自己是否掌握了每一章的重要信息，并学会运用这些原理去解决实际问题。
自从本书第二版出版以来，信号完整性和电源完整性的原理及应用并未改变。当我在世界各地对这些主题发表演讲时，我发现其中的基本原理比以往任何时候都更重要。
我常常惊讶地发现，即使实际问题很复杂，也能采用基本的工程原理和简单的评判方法加以解决，并获得更升华的新见解。这就是本书的重点和特点。
本书的第一版和第二版是以为世界各地成千上万工程师们开设的“信号完整性与电源完整性”课程的教案为蓝本的。第三版则基于科罗拉多大学博尔德分校130多名选课研究生的实践演练素材，并新增了几个采用高速串行链路的最新实例。学生们反馈给我的建议是，希望通过实践演练能够考核并加深自己的理解能力。当我向专业工程师咨询是否在每章结尾添加复习题时，也得到了他们的强力支持。
工程师们都愿意正视自己所面对的难题和挑战。每当遇到难题，总是要设法解决问题，从而把绊脚石变为垫脚石。
有人认为经由实践途径的学习效果最好。我认为并非完全正确。我认为实践演练能加强对所学基本原理的理解，但并不见得必须从实践中才能学习得到。在我们把基本原理应用到真实世界时，无论是在实验室中进行测量解释及模拟仿真，还是在面对实际问题时，我们在脑海中都会尝试如何应用基本原理这一过程。工程师们已告诉我，在解决问题时“终会产生共鸣”。
在本书每一章的末尾附有20~35个复习题，这些复习题会迫使读者思考一些原理，借用它们叩击读者的思维。附录D汇总了所有复习题并给出了答案。其他补充资料还可以通过网站www.beTheSignal.com获取。

Eric Bogatin2017年9月

第二版前言

从本书第一版出版至今，信号完整性的原理并未发生改变。发生变化的是随着高速链路的大量应用，电源完整性正在成为开发新产品能够成功还是失败的关键角色。
除了在大多数章节，尤其是在差分对和损耗章节中充实了许多内容和示例，第二版新增了两章，目的是针对当今的工程师和设计师们的实际需求提供一个坚实的基础。
第12章是新增的一章，深入介绍了在信号完整性中如何使用S参数。只要你遇到的是高速链路问题，就会接触到S参数。由于采用的是高速数字设计师们所不熟悉的频域语言表示，常常令人望而生畏。正如本书的所有章节，第12章提供了理解这一格式的坚实基础，以便让所有工程师可以充分利用S参数的强大功能。
新增的另一章是关于电源完整性的第13章。这一问题不断进入设计工程师的视野。对于高速应用，电源分配路径的互连不仅影响着电源配送，还影响着信号的返回路径，以及电磁兼容测试认证能否通过。
我们从最基本的内容出发，讨论电源分配互连的角色，分析不同的设计和工艺如何影响电源分配网络性能的优劣。介绍平面阻抗的基本原理、扩散电感、去耦电容器、电容器的回路电感等。这些有价值的感悟将有助于培养工程师的直觉，从而使他们能够运用自己的创造力去综合出新的设计。在实现一个新创意的过程中，与设计密不可分的工作是性能分析。通过分析，可以找出性能与价格的折中方案，修整出完美的电源分配网络阻抗曲线。
如果你是信号完整性方面的一位新手，那么本书将是你的入门教材。借此奠定一个坚实的基础，从此可以使你的信号完整性设计做到首次成功！次次成功！

第一版前言

“一切都应该尽可能简单，而不只是简单一点。”
——阿尔伯特?爱因斯坦
通常，人们一提到印制电路板和集成电路封装设计，常常会想到电路设计、版图设计、CAD工具、热传导、机械工程和可靠性分析等。随着现代数字电子系统突破1 GHz的壁垒，PCB板级设计和集成电路封装设计必须考虑信号完整性（SI）和电气性能问题。
凡是介入物理设计的人都会不同程度地左右产品的性能。所有的设计师都应该了解自己的设计如何影响信号完整性，至少可以做到与信号完整性专业的工程师进行技术上的沟通。
传统的设计方法学是：根据要求研制产品样机，然后进行测试和调试。如今，产品的上市时间和产品的成本、性能同等重要，采用传统做法的效率将很低。因为，一个设计如果在开始阶段不考虑信号完整性，就很难做到首件产品一次成功。
在当今的“高速”世界里，从电气性能的角度看，封装和互连对于信号不再是畅通和透明的，因此需要新的设计方法学，以保证产品设计的一次成功率。这种新设计方法学的本质是立足于可预见性的。为此，首先要尽量应用已经成熟的来自工程经验积累的设计规则，其次要用量化的手段对期望的产品性能进行预估。这种工程设计途径与猜测途径不同，工程途径中要充分利用4种重要的技术工具：经验法则、解析近似、数值仿真和实际测量。在设计仿真过程中，还要尽可能早一点对产品的性能和成本进行评估和折中。设计早期进行分析和折中处理，对上市时间、产品成本和风险的影响最大。解决问题的途径可以归结为：首先分析信号完整性问题的起源，然后利用教材提供的工具找出最优的解决方案，并加以验证。
设计过程是充满直觉的过程，解决问题的灵感源自想象力和创造性的神秘世界。人们头脑中首先涌现出一个好主意，然后凭借技术训练中提供的分析能力，就能进一步将这个好主意变成解决问题的实际方案。方案的最终验证肯定要进行计算机仿真，但它毕竟代替不了我们的直觉能力。相反，只有对工作机理、原理、定义和各种可能性的深入掌握，才可能涌现好的问题解决方案。所以，为了做到能通过直觉推断去寻找问题答案，需要不断地提高理解力和想象力。
本书强调的是培养解决问题的直觉途径。全书内容的安排就是为了使读者能掌握从芯片、封装、电路板、连接器到连线电缆的所有互连设计及所用材料对电气特性的影响。
商业报道中不完整甚至矛盾的描述使不少人感到困惑，这些人可把本书当成学习的入门起点。而那些对电子设计比较有经验的人，也可以通过本书的学习，最终理解数学公式的真正物理含义。
本书从最基本的参数术语出发进行论述。例如，传输线阻抗是一段互连的基本电气特征，它描述了信号感受到的互连电气特征及信号与互连之间的相互作用。大多数信号完整性问题来自对3个参数之间的混淆：阻抗、特性阻抗及信号所遇到的瞬时阻抗。甚至对于有经验的工程师而言，这三者的区别也很重要。本书没有使用复杂的数学描述，而是直接将这些概念及其含义介绍给读者。
进一步，我们在基本层面上为读者介绍一些新的专题。在其他大多数信号完整性书籍中并不涉及这个层次。这些专题包括：局部电感（有别于回路电感）、地弹和电磁干扰起因、阻抗、传输线突变、差分阻抗、有损线衰减导致眼图塌陷等。关注这类研究对于新的高速互连方案是至关重要的。
工程师为了能尽快找到解决问题的最佳方案，除了深入掌握基本原理，还必须拥有实用的商业化技术工具。这些工具一般分为两类：分析型工具和测量型工具。分析型工具的基础是计算，测量型工具通过测量完成表征与描述。本书介绍了许多种这样的工具，给出它们的使用指南和具体参数值的示例。
目前有3类分析工具：经验法则、解析近似和数值仿真。它们的准确度和难度各不相同。每一个都很有用，适用于不同场合。每个工程师都应该将这些工具留存备用。
经验法则的例子包括“单位长度线段的自感约为25 nH/in”。如果最需要的是快速求解而不是准确求解，这些经验法则就显得特别适用。绝大多数场合下，信号完整性中的公式只给出定义或近似表示。解析近似对于开拓设计空间、兼顾设计难度和性能指标是必要的。然而，随意过分的近似是有风险的。人们一般不会同意在近似程度未知的前提下，安排1个月的时间，冒险用1万美元的代价去制作印制电路板（PCB）。
如果设计签发（sign off）时要求给出准确的结果，就必须用到数值仿真工具。在过去的几年里已经研制成功一代全新的工具，这些新工具非常好用又很准确。它们可以预估特性阻抗、串扰和任意截面传输线的差分阻抗，也可以仿真出任意一种终端端接对信号的可能影响。使用新一代的工具不需要很高的学历，任何一个工程师都能从中受益。
数值仿真的质量唯一地取决于元器件电气描述的质量，即等效电路模型。工程师们都学过信号处理用的门电路模型，但是很少考虑过互连的电路模型。15年前，互连对于信号还是畅通透明的，那时把互连看成理想的导线，既没有阻抗，也没有时延。考虑了这些参数项之后，就需要将它们表示成集总寄生参数。
目前高速数字系统的时钟已超过100 MHz，信号完整性问题使首件产品很难做到一次成功。真实的导线，包括键合线、封装引线、芯片引脚、电路板走线、连接器、连线电缆等，都是造成信号完整性问题的根源。为此，必须充分理解这些“模拟电路”效应，通过针对性设计设定参数值，进行全面的系统级仿真，然后再制作硬件。这样就有可能制作出稳健性(robust)好的产品，并尽快推向市场。
本书从各种常见的系统中选取了一些示例，其内容涉及芯片内互连、键合线、倒装芯片装连、多层电路板、DIP、PGA、BGA、QFP、MCM等接插件及电缆，书中介绍的工具有助于设计工程师和项目负责人了解包括它们在内的系统仿真技术，更好地理解芯片封装、电路板、连接器等无源元件对系统性能的影响。书中还给出了对重要电气参数及技术折中方案进行工程评估的方法。
大多数教材强调理论推导和数学上的严格，本书则侧重于直观的分析理解、实用技术及工程实践。我们把电子工程和物理学的基本原理应用于封装和互连问题，构建出理解的基本框架和解决问题的方法学。本书采用时/频域测量、二维和三维场求解器、传输线仿真、电路仿真器及解析近似等多种技术和工具，构造出经过验证的封装和互连等效电路模型。
这里着重关注模型的两个特征：它的准确度如何？它的带宽如何？回答这些问题的唯一途径是测量。只有通过测量才能极大地降低设计风险。
本书介绍了3类测量仪器，并对测量数据加以解释。这3类仪器是阻抗分析仪、矢量网络分析仪（VNA）及时域反射计（TDR）。书中通过对真实互连进行测量的示例，包括集成电路封装、印制电路板、电缆和连接器，阐明测量原理并对这类表征型工具的输出测量值加以解释。
本书面向具有不同专业技能和训练背景的人员，包括设计工程师、项目负责人、销售和市场部经理、工艺研发人员和科学家。书中阐述的要点是：高速数字系统的互连设计难点是什么，需要克服哪些技术障碍才能在高频时正常工作。
我们基于电子工程和物理学的原理，分析数字信号通过整个互连时引起的信号完整性问题。引入等效互连电路模型的概念，是为了预估出性能的量化指标。本教材的大量篇幅用这种电路模型分析互连对系统电气性能的影响。这些影响可以归结为4类噪声问题：反射、串扰、轨道塌陷及电磁干扰。
本书素材源自作者讲授短期和整学期系列课程的教材。授课对象是芯片封装、印制电路板组装和系统设计方面的工程师。这些人需要在设计时考虑互连对电气性能的影响。本书有助于理解物理几何结构和材料特性的设计如何影响电气性能。
关于信号完整性，至少应该记住下列一些重要原则。这里给出的是条目纲要，书中将陆续给出进一步的详尽论述。
信号完整性问题的10个基本原则
1.提高高速产品设计效率的关键是：充分利用分析工具实现准确的性能预估，使用测量手段验证设计过程、降低风险，并提高所采用设计工具的可信度。
2.将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行途径是：采用经验法则、解析近似、数值仿真技术或测量工具获得数据，这是工程实践的本质要素。
3.任何一段互连，无论线长和形状，也无论信号的上升边如何，都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互连前进的每一步，都会感受到瞬时阻抗。若瞬时阻抗恒为常量，比如具有均匀横截面传输线的情况，其信号质量就会获得奇迹般的改善。 
4.把“接地”这一术语忘掉，由于它所造成的问题比用它解决的问题更多。每一路信号都有返回路径。抓住“返回路径”，像对待信号路径一样去寻找并仔细处理返回路径，这样有助于培养解决问题的直觉能力。
5.当电压变化时，电容器上就有电流流动。对于快速变化的边沿，即使印制电路板边缘和悬空导线之间的空气隙形成的边缘线电容，都可能拥有很低的阻抗。
6.电感与围绕电流周围的磁力线匝数有着本质的联系。只要电流或磁力线匝数发生改变，在导线的两端就会产生电压。这一电压是导致反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷及电磁干扰的根源之一。
7.当流经接地回路电感上的电流变化时，在接地回路导线上产生的电压称为地弹。它是造成开关噪声和电磁干扰的内在机理。
8.以同频率的方波作为参照，信号带宽是指有效正弦波分量的最高频率值。互连模型的带宽是指在这个最高的正弦频率上，模型仍能准确地预估互连的实际性能。在使用模型进行分析时，一定不要让信号的带宽超过模型的带宽。
9.记住，除少数情况以外，信号完整性中的公式给出的是定义或近似。在特别需要准确的场合就不要使用近似。
10.有损传输线引起的问题就是上升边退化。由于集肤深度和介质损耗，损耗随着频率的升高而增加。如果损耗随着频率的升高而保持不变，上升边就不会发生变化，这时的有损线只是增添了一些不便而已。
11.影响研发进度并造成产品交货推迟，是企业付出的最昂贵代价。

致    谢

许多同事、朋友和学生影响并造就了我的许多观点，这些观点已写入本书第一版和第二版中。在英特尔、思科、摩托罗拉、阿尔特拉(Altera)、高通、雷声（Raytheon）和其他公司中，有几千位工程师参加过我的培训课程，他们给我提出了许多有益的反馈意见，指出什么样的解释是对的和不对的。
在第二版的出版过程中，我的审稿人Greg Edlund、Tim Swettlen和Larry Smith给出了非常出色的意见和建议，我从这些专家身上学到很多知识。我的出版策划Bernard Goodwin总是非常耐心并积极支持我，我超过了交稿期限也不曾抱怨过。
在第三版中，我的许多学生，包括科罗拉多大学的学生、Teledyne LeCroy信号完整性学会的订阅者，以及工业界的专业工程师等，都鼓励我为本书添加些复习题及答案。为此我积极尝试收集在多次公共培训中被问及的问题，并将它们相应地添加到内容相关的章的末尾。感谢我所有的学生，无论年轻或年长，感谢你们忘我地去辨释难题并将意见反馈给我。
感谢你们所有的友情支持与鼓励！


作 者 简 介
Eric Bogatin（埃里克?伯格丁）于1976年获麻省理工学院物理学士学位，并于1980年获亚利桑那大学物理硕士和博士学位。从事信号完整性和互连设计领域的研究长达30多年。Eric曾在AT＆T贝尔实验室、Raychem公司、Sun Microsystems、Interconnect Devices公司和Teledyne LeCroy担任过高级研究员或管理职位。2011年，Eric的Bogatin公司被Teledyne LeCroy收购。
Eric目前是Teledyne LeCroy的信号完整性理论实践方面的“传教布道师”，一直在创建并展示着与高性能视野相关的最新应用教材。利用分析技术和测量工具，Eric能够将复杂的问题转化为实用的设计与测量实践知识。
2012年以后，Eric一直担任科罗拉多大学博尔德分校的兼职教授，在信号完整性、互连设计和PCB设计等方面讲授研究生的课程。
Eric为PCD＆F Magazine，Semiconductor International，Electronic Packaging and Production，Altera公司，Mentor Graphics公司，EDN和EE Times等每月定期撰写技术专栏。目前，Eric还是Signal Integrity Journal（www.SignalIntegrityJournal.com）的编辑。
Eric著作颇丰，他著有300多部作品，其中许多发表在网站www.beTheSignal.com上，可供大家下载。Eric定期出席DesignCon、IEEE EMC研讨会、EDI会议及IPC设计委员会的例会并发表讲演。
Eric与Larry Smith合作撰写并出版了颇受欢迎的Principles of Power Integrity for PDN DesignSimplified。
Eric是DesignCon的2016 Engineer of the Year Award（2016年度工程师奖）的获得者。
如果需要，可以通过发邮件至eric@beTheSignal.com与Eric联络。