本书是信号完整性领域的一部经典著作。全书结合了数字和模拟电路理论，对高速数字电路系统设计中的信号完整性和EMC方面的问题进行了深入浅出的讨论和研究，其中不仅包括关于高速数字设计中EMC方面的许多实用信息，还包括许多有价值的测试技术。另外，书中详细讨论了涉及信号完整性方面的传输线、时钟偏移和抖动、端接、过孔等问题，具有极高的实践指导意义。本书通俗易懂，理论与实践方法结合紧密，是高速数字设计人员必备参考书。

这是一本论述高速数字电路设计的经典著作，对国内的读者来说也是一本难得的好教材。该书被业内同行奉为数字电路设计的“宝典”，甚至有人说“没有读过这本书的人就不要去做数字电路设计”。该书英文版已历经十年，前后再版十多次，今天依然是许多数字电路设计人员手头必备的一本重要参考书，其何以有如此“神奇”的魅力呢？ 高速电路设计是一项非常复杂的设计过程，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基于传统方法设计的数字电路无法工作。近些年国内的高速电路设计虽然也取得了巨大的进步，但是对于许多缺少高速电路设计知识和经验的人来说，高速电路设计成了一项“神秘”的工作。 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设计手段。然而目前国内很少见到系统地论述高速电路设计的教材和资料，对于大学生、专业工程师来说，现有的教材和资料有些过分偏重于理论分析，要求必须具备坚实的理论基础，但在实践中却并不能直接指导应用。对于一个工程师来说，建立严格的数学、物理模型进行分析当然是理想的方式，然而多数情况下这是不现实的，产品的设计周期不允许，多数人可能也没有这方面的兴趣，有时也没有这个必要。 另一方面，有些资料则仅仅是某些实际经验的总结，其所得到的结论经常是局部的和片面的。仔细分析经常会发现其中的许多观点或做法是相互矛盾的，其实有些只是在不同条件下的一些结论和做法，在只知其然不知其所以然的情况下读者自然会感到茫然。 因此，对于国内许多从事或将要从事高速电路设计的人员来说，虽然掌握了一定的理论知识，但是在看着国外同行设计的高速数字电路慨叹“技盖至此乎？”时，在实践中却不得不经常面临无从下手的痛苦。 《庄子·养生主》中庖丁解牛的场景使人为之慨叹：“手之所触，肩之所倚，足之所履，膝之所骑，砉然响然，奏刀 然，莫不中音，合于桑林之舞，乃中经首之会。”阅读和翻译该书的过程，使人总是不免想起这精彩的技艺。因为在作者的笔下，真是刀之所向，豁然开朗。因为高速数字电路设计已不再是什么魔术，而是一种艺术，当然这要得益于本书的作者之一Howard W. Johnson博士，他就是这样一位经验丰富的“庖丁”，20多年的高速电路设计经验使其解决问题的思路和方法充满了睿智和技巧，“恢恢乎其于游刃必有余地矣”。他的分析和测试方法简便、实用，富有启发性，起到了举一反三的效果。你甚至可以像阅读小说一样去体会一个工程师的创造性与智慧。 该书是高速数字电路设计从入门到精通的最佳参考书之一，在信号完整性和EMC领域是公认的最有价值的教材之一。作者在书中侧重于基础理论，简化了复杂的数学理论推导，其分析过程详细且通俗易懂，涵盖了信号完整性中许多非常有价值的基本概念，讨论了许多其他资料中较少涉及的测试方法，如电路走线的分布电感和电容，这是非常实用和有价值的。当然，本书不可能面面俱到，然而书中向我们展示的分析问题和解决问题的方法却对解决实际问题大有裨益。 另外，由于该书已经出版多年，许多人在阅读理解该书的过程中提出了一些问题，Johnson博士对这些问题进行了回答、归纳和整理，相关的资料可以在他的关于信号完整性的网页上下载（www.sigcon.com或signalintegrity.com）。在阅读该书的过程中浏览一下这些资料对理解本书的内容是很有帮助的。 由于原著中的一些专业词汇目前国内尚无统一的标准译法，书中按其含义译出。原著中附录C的MathCAD公式按照Howard W. Johnson博士在网站上发布的最新公式给出，并加上了简要的说明。 翻译的过程是艰苦的，但中间也充满了欢乐，因为我们经常被作者丰富的经验与知识所鼓舞，所以我们也深切希望把这本书介绍给大家，希望能看到国内的同行们有一天也能“提刀而立，为之四顾，为之踌躇满志，善刀而藏之。” 本书的第1章、第2章和附录B由沈立翻译，第3章和第4章由朱来文翻译，第10章到第12章由陈宏伟翻译，王强负责其余部分的翻译整理，并负责全书的审校。本书在翻译过程中得到了朱琳杰、张文、曾再平、袁吉吉、陈燕利、王文利的帮助和支持，使其能够早日与读者见面，另外也非常感谢所有的家人对我们这项工作的大力支持。 由于译者的水平有限，错误和疏漏之处在所难免，希望读者批评指正。欢迎大家通过qwuang@btamail.net.cn和译者联系。 前言 这是一本面向数字电路设计人员的书。本书强调和阐述了与高速数字设计有关的模拟电路原理。作者的实例讲解分析，涵盖了通常困扰高速数字设备的振铃、串扰和辐射噪声的问题。 本书所讲的都不是新内容，而是已经通过口宣笔录流传很多年了。这里只是简单地把这些知识与智慧收集在了一起。因为这些资料中的大部分并没有包含在普通的大学课程之内，所以在一些工程师的眼里，高速效应有些神秘、令人不快或者使人生畏。对他们而言，这个问题简直就是“魔术”。对于认为高速电路中的任何事情都很不寻常或无法解释的看法，作者已经将其彻底否定了。了解应该应用哪个原理以及如何应用是件很简单的事情。 低速数字电路的设计者并不需要这些资料。在低速设计中，信号还是干净的，保持着良好的状态，能够很好地与二进制模型相符合。 在高速条件下，快速信号的上升时间使模拟电路效果的影响增大。工程师们感受的是完全不同的逻辑信号情形。对他们而言，逻辑信号常常看起来会是有许多毛刺、参差不齐、发生畸变的信号。为了使产品能够运行，高速设计者必须了解和使用模拟原理。本书解释了需要应用哪些原理以及如何应用。 没有经过正规的模拟电路理论训练的读者，可以使用并应用本书中的公式和例子。对于已完成大学第一年的线性电路原理入门课程的读者，可以更深一步理解这些资料。 第1章至第3章分别介绍了模拟电路的术语、逻辑门电路的高速特性以及标准的高速测量技术。这3章形成了本书的核心，任何严谨的高速逻辑设计的学习都应该包含这一部分。 第4章至第12章分别论述了高速逻辑设计中的专门课题，读者可以择序学习。 附录A是各章节的集锦，收集了各章中提供的最重要的观点和概念。对于系统设计，这个附录可以用做一个检查表，或者在面临难题时作为本书内容的索引。 附录B详细讲述了各种形式的上升时间测量所基于的数学假设。这部分内容帮助读者把本书中给出的结果和其他术语的来源及标准联系起来。 附录C列出了计算物理结构的电阻、电容和电感的标准公式。这些公式在MathCAD中实现，可以从作者处得到电子形式的资料。 致谢 许多人为这本书做出了贡献，我们非常想表达对他们的谢意。我们的老师、老板、同事、客户、用户、读者和学生们，感谢你们激发我们学习的欲望，发现我们不能解决的问题，以及在我们自以为懂得太多的时候对我们的必要的提醒。 作者特别希望感谢下列为本书的写作做出慷慨贡献的人们。因为他们非常仔细地审阅了原文，并提出了很多宝贵意见，我们感谢Dan Nitzan，Jim Pomerene，Joel Cyprus，Ernie Kim，Tim Ryan和Charlie Adams。 感谢我们的助手Pamela Moore在编制图表中的高效率和令人充满喜悦的帮助。 Johnson博士特别感谢前ROLM公司的同事和经理，尤其是Ken Oshman，Bob Maxfield和Gibson Anderson。由于他们的帮助，Johnson博士在电子业界有了很好的发展起点。 Martin Graham要感谢很久以前的导师William McLean教授对他在解决问题的方法以及教学生涯上的深远影响。 当然，我们还要感谢Tektronix公司的大力支持，感谢该公司借给了我们一台Tek 11403数字示波器。读者在本书中看到的所有波形都由他们的示波器产生。每个波形都是捕获并存储在内存中，然后直接输出的。感谢Leo Chamberlain和Jim McGoffin的帮助。 最后要感谢的是我们的夫人，Elisabeth和Selma，对她们的奉献和不知疲倦的支持，我们表示由衷的感激和谢意。 读者提示 对于那些发现并准确地报告原稿中的技术错误的读者，感谢你们的关注并为此花时间给我们写信交流，作者将亲自把一张感谢证书寄给记录书中每个技术错误的第一位读者。请将你的意见寄至： Howard W. Johnson，Ph. D. Signal Consulting，Inc. 16541 Redmond Way，Suite 264 Redmond，WA 98052

第1章 基础知识 1.1 频率与时间 1.2 时间与距离 1.3 集总与分布系统 1.4 关于3 dB和RMS频率的解释 1.5 4种类型的电抗 1.6 普通电容 1.7 普通电感 1.8 估算衰减时间的更好方法 1.8.1 测量一个响应曲线下的总面积 1.8.2 应用到图1.15中 1.9 互容 1.9.1 互容与串扰的关系 1.9.2 端接电阻之间的互容 1.10 互感 23 1.10.1 互感与串扰的关系 1.10.2 磁耦合环路的反向 1.10.3 容性耦合与感性耦合的比率 第2章 逻辑门电路的高速特性 2.1 一种年代久远的数字技术的发展历史 2.2 功率 2.2.1 静态和动态功耗 2.2.2 驱动容性负载时的动态功耗 2.2.3 叠加偏置电流产生的动态功耗 2.2.4 输入功率 2.2.5 内部功耗 2.2.6 驱动电路功耗 2.2.7 输出功耗 2.3 速度 2.3.1 电压突变的影响，dV/dt 2.3.2 电流突变的影响，dI/dt 2.3.3 电压容限 2.4 封装 2.4.1 引脚电感 2.4.2 引脚电容 2.4.3 热传导（QJC和QCA） 第3章 测量技术 3.1 示波器探头的上升时间和带宽 3.2 探头接地环路的自感 3.2.1 计算接地环路电感 3.2.2 算出10%~90%上升时间 3.2.3 估算电路的Q值 3.2.4 结果的重要性 3.3 探头接地环路检测到的假信号 3.3.1 环路A的变化电流 3.3.2 环路A和环路B的互感 3.3.3 应用互感的定义 3.3.4 磁场检测器 3.4 探头是如何加重电路负载的 3.5 特殊的探头构造 3.5.1 自制的21:1探头 3.5.2 低电感接地环路的夹具 3.5.3 嵌入式探测夹具 3.6 避免检测到来自探头外壳电流的信号 3.7 观测一个串行数据传输系统 3.8 降低系统时钟 3.9 观测串扰 3.9.1 关掉原始信号 3.9.2 关掉串扰 3.9.3 产生人为的串扰 3.10 测量工作容限 3.10.1 附加噪声 3.10.2 宽总线的时序调整 3.10.3 电源 3.10.4 温度 3.10.5 数据吞吐量 3.11 观察亚稳态 3.11.1 测量亚稳态 3.11.2 理解亚稳态的特性 3.11.3 长判决时间的证据 3.11.4 亚稳态问题的解决方法 第4章 传输线 4.1 普通点对点布线的缺点 4.1.1 点对点布线的信号畸变 4.1.2 点对点布线的EMI 4.1.3 点对点布线中的串扰 4.2 无限均匀传输线 4.2.1 理想的无畸变、无损耗传输线 4.2.2 有损耗的传输线 4.2.3 趋肤效应 4.2.4 邻近效应 4.2.5 介电损耗 4.3 源端及负载阻抗的影响 4.3.1 传输线上的反射 4.3.2 末端端接 4.3.3 源端端接 4.3.4 短线 4.3.5 不良端接传输线的建立时间 4.4 传输线的特殊实例 4.4.1 未端接线路 4.4.2 连接在线路中间的容性负载 4.4.3 等间隔的容性负载 4.4.4 直角弯曲 4.4.5 延迟线 4.5 线路阻抗和传播延迟 4.5.1 传输线参数的控制 4.5.2 同轴电缆的计算公式 4.5.3 双绞线的计算公式 4.5.4 微带线的简单公式集 4.5.5 带状线的简单公式集 第5章 地平面和叠层 5.1 高速电流沿着电感最小路径前进 5.2 完整地平面的串扰 5.3 开槽地平面的串扰 5.4 平行交叉地平面的串扰 5.5 指状电源和地线的串扰 5.6 保护走线 5.7 近端和远端串扰 5.7.1 感性耦合机制 5.7.2 容性耦合机制 5.7.3 互感和互容的混合耦合 5.7.4 近端串扰如何变成一个远端问题 5.7.5 展示两线之间串扰的特征 5.7.6 使用串联端接减少串扰 5.8 印刷电路板如何叠层 5.8.1 电源和地的规划 5.8.2 机框层 5.8.3 选择走线尺寸 5.8.4 布线密度和走线层数 5.8.5 经典层叠 5.8.6 高速板的特别提示 第6章 端接 6.1 末端端接器 6.1.1 末端端接器的上升时间 6.1.2 末端端接器的直流偏置 6.1.3 末端端接器中采用的其他拓扑结构 6.1.4 末端端接器的功耗 6.2 源端端接器 6.2.1 源端端接的阻抗值 6.2.2 源端端接的上升时间 6.2.3 源端端接可以得到比较理想的阶跃响应 6.2.4 源端端接所需的驱动电流 6.2.5 源端端接的其他拓扑结构 6.2.6 源端端接器的功耗 6.3 中间端接器 6.4 末端端接器的交流偏置 6.4.1 容性端接的直流不平衡 6.4.2 差分线的末端端接器 6.5 电阻的选择 6.5.1 端接电阻的准确性 6.5.2 端接电阻的功耗 6.5.3 端接电阻的串联电感 6.6 端接器中的串扰 6.6.1 相邻实芯电阻的串扰 6.6.2 相邻表面贴装电阻的串扰 6.6.3 单列直插（SIP）端接电阻的串扰 第7章 通孔 7.1 通孔的机械特性 7.1.1 制作完成后的通孔直径 7.1.2 通孔焊盘大小的要求 7.1.3 间隔要求：空隙 7.1.4 走线密度与通孔焊盘大小 7.2 通孔的电容 7.3 通孔的电感 7.4 返回电流及其与通孔的关系 第8章 电源系统 8.1 提供稳定的电压参考 8.2 分配统一的电压 8.2.1 电源分配线的阻抗 8.2.2 电源分配线的电感 8.2.3 板级滤波 8.2.4 单独集成电路的局部滤波 8.2.5 电源平面和地平面的电容 8.2.6 测量电源分配系统阶跃响应的测试夹具 8.3 一般情形的电源分配问题 8.3.1 TTL-ECL混合系统中的随机ECL错误 8.3.2 分配线中的压降过大 8.3.3 插入电路板时的电源脉冲干扰 8.3.4 电源分配线的EMI辐射 8.4 选择旁路电容 8.4.1 电容的等效串联电阻和引脚电感 8.4.2 电容特性与封装的关系 8.4.3 表面贴装的电容 8.4.4 集成电路下面安装的电容 8.4.5 三种类型的电介质 8.4.6 电压等级和使用期限的安全容限 第9章 连接器 9.1 互感--连接器如何引起串扰 9.1.1 估算串扰 9.1.2 如何通过接地改变返回电流路径 9.2 串联电感--连接器怎样产生电磁干扰 9.3 寄生电容--用在多支路总线上的连接器 9.3.1 引脚到引脚的电容 9.3.2 电路走线电容 9.3.3 接收器和驱动器电容 9.3.4 均匀间隔负载 9.3.5 低速总线 9.4 连接器中耦合的测量 9.4.1 接地引脚和信号引脚 9.4.2 脉冲发生器和源端阻抗 9.4.3 传输线上的端接阻抗 9.4.4 模拟接收线的源端阻抗 9.4.5 匹配电阻 9.5 连接器下地线的连续性 9.6 采用外部连接解决EMI问题 9.6.1 滤波 9.6.2 屏蔽 9.6.3 共模扼流圈 9.7 高速应用的特殊连接器 9.7.1 AMP Z型点对点连接器 9.7.2 Augat点对点连接器 9.7.3 Teradyne多支路总线连接器 9.8 穿过连接器的差分信号 9.9 连接器的电源管理特性 第10章 扁平电缆 254 10.1 扁平电缆的信号传播 10.1.1 扁平电缆的频率响应 10.1.2 扁平电缆的上升时间 10.1.3 测量上升时间 10.2 扁平电缆的串扰 10.2.1 串扰的基本计算 10.2.2 多地的效果 10.2.3 双绞线的效果 10.2.4 串扰的测量 10.2.5 扁平电缆的堆叠 10.3 扁平电缆连接器 10.3.1 连接器的电感 10.3.2 连接器的电容 10.3.3 减少寄生效应的交错连接 10.4 扁平电缆的电磁干扰 10.4.1 金属箔缠绕 10.4.2 单面屏蔽 10.4.3 折叠（圆）屏蔽电缆 第11章 时钟分配 11.1 定时裕量 11.2 时钟偏移 11.3 使用低阻抗驱动器 11.4 使用低阻抗的时钟分配线 11.5 多路时钟线的源端端接 11.6 控制时钟线上的串扰 11.7 延时的调整 11.7.1 固定延时 11.7.2 可调整延时 11.7.3 自动可编程延时 11.8 差分信号分配 11.9 时钟信号的占空比 11.10 消除时钟中继器的寄生电容 11.11 时钟总线上时钟接收器的去耦 第12章 时钟振荡器 12.1 使用罐装的时钟振荡器 12.1.1 频率指标 12.1.2 允许的工作条件 12.1.3 电气特性 12.1.4 机械结构 12.1.5 生产问题 12.1.6 可靠性 12.1.7 控制与调整 12.2 时钟抖动 12.2.1 时钟抖动何时事关重大 12.2.2 测量时钟抖动 12.2.3 测量电源的抗扰度 12.2.4 时钟源的电源滤波 附录A 记忆要点 附录B 计算上升时间 附录C MathCad公式 参考书目 索引（中英文对照）