高速PCB设计经验规则应用实践 PDF下载

出版社: 清华大学出版社
出版年: 2024-10-08
页数: 390页
装帧: 精装
评分: 9.4 (豆瓣)

内容简介

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产品特色

编辑推荐

讲解一条一条具体经验规则的应用,让读者了解经验规则
的来历,掌握经验规则的理论依据、使用条件和对结果分析,并能迅速应用在实际的设计工
作中。

内容简介

电子电路板是消费电子产品和工业自动化控制设备的重要部件，随着电子技术的日益发展，电路系统加速小型化、高密度和高速化，高速PCB设计技术越来越成为电子工程师的技能。本书从实用角度介绍高速PCB设计中的经验规则，重点讲述在实际工作中如何正确地运用经验规则，避免错误。本书分为6章，第1、2章讲解了什么是高速PCB设计的经验规则
，其与理论知识相比有什么优势，如何运用；第3章详细介绍了高速PCB设计的每个环节
的技术要点、经验规则；第4章介绍常用的经验公式；第5章分析了几类特殊电路的设计经验规则的应用；第6章讲解了在一个设计案例中经验规则的具体应用。

本书力求在高速PCB设计领域，为电子工程师、产品开发和生产技术人员、在校学生以及电子爱好者
提供有关高速PCB设计经验规则的模块化知识体系，各章主题相对独立完整，有利于读者碎片化
地学习并应用到具体的设计工作中。

本书可作为各类大中专院校相关专业的培训教材，也可作为电子、电气、自动化设计等相关专业人员的学习和参考用书。

作者简介

清华大学电子工程专业硕士研究生毕业。从事消费类电子产品、工业自动化设备、光电检测仪器等的研发和生产工作30余年。在外资、国企和民企中担任过研发工程师、项目主管、总工程师等职务。在电子和光电产品的研发、生产、质量控制等方面有较多技术积累和实践经验。在长期的技术开发工作中，对电路设计、产品研发和大规模生产技术的学习研究、知识管理等方面，形成了系统的理解和独自见解。

目　　录

第1章高速PCB设计的经验规则
1.1生活中的经验规则
1.2PCB设计中的经验规则
1.3经验规则的来源
1.3.1理论与实践的结合
1.3.2每条经验规则都有其原理
1.4高速PCB设计中经验规则的实用性
1.4.1精确的答案与快速的答案
1.4.2成本收益
1.5正确使用高速PCB设计的经验规则
1.5.1使用经验规则的场景
1.5.2使用经验规则的条件
1.5.3了解经验规则的原理
1.5.4对结果做出预测

第1章高速PCB设计的经验规则
1.1生活中的经验规则
1.2PCB设计中的经验规则
1.3经验规则的来源
1.3.1理论与实践的结合
1.3.2每条经验规则都有其原理
1.4高速PCB设计中经验规则的实用性
1.4.1精确的答案与快速的答案
1.4.2成本收益
1.5正确使用高速PCB设计的经验规则
1.5.1使用经验规则的场景
1.5.2使用经验规则的条件
1.5.3了解经验规则的原理
1.5.4对结果做出预测
第2章高速PCB设计经验规则使用心法
2.1不要盲目使用经验规则
2.1.1过时的规则
2.1.2不适用的规则
2.1.3专业工具与仿真软件
2.2非技术经验规则
2.2.1从经验中学习
2.2.2抽出时间思考
2.2.3记下那些让你进步的东西
2.2.4向他人学习
2.2.5与时俱进，不能刻舟求剑
2.2.6充分利用网上资源
2.2.7将经验法则转换为设计规则和约束条件 
第3章PCB设计中的经验规则
3.1PCB板材特性和常用工艺参数
3.1.1PCB板材特性和选择
3.1.2PCB设计需要了解的常见工艺参数
3.2PCB设计中布局的经验规则
3.2.1预先进行平面规划
3.2.2元件布局的经验规则
3.3叠层设计
3.3.1叠层设计的经验规则
3.3.2对PCB层数进行估算
3.3.3为传输线阻抗设计做好前期准备
3.3.4单面板和双面板的叠层
3.3.5四层板的叠层
3.3.6六层板的叠层
3.3.7八层板叠层方案
3.3.8更多层数
3.4电源的布局
3.4.1电源平面分割
3.4.2处理好电源分配网络
3.4.3避免密集过孔
3.4.4处理好散热电路元件
3.5地的布局
3.5.1地概念的起源
3.5.2回流路径
3.5.3信号——回流环路
3.5.4地平面上的噪声——地弹噪声和共地噪声
3.5.5分割地平面——数字地和模拟地
3.6单个信号网络
3.6.1走线阻抗
3.6.2反射
3.6.3过孔影响
3.6.4阻抗匹配
3.7串扰
3.7.1串扰是如何发生的
3.7.2远端和近端串扰
3.7.3间距与耦合
3.7.4保护地线
3.7.5减小串扰的经验规则
3.8损耗与衰减
3.9差分线对
3.9.1差分信号传输方式的优点
3.9.2双绞线
3.9.3PCB上的差分线对
3.9.4差分阻抗
3.9.5差分线对PCB走线参数设计
3.9.6差分线对布线要求
3.9.7差分线对的端接
3.10电源分配网络
3.10.1电源分配网络模型和阻抗曲线
3.10.2影响电源分配网络阻抗的因素
3.10.3去耦电容与旁路电容
3.10.4电源地平面电容
3.10.5其他电源和地布线的经验规则
第4章PCB设计中的经验公式
4.1常见材料特性参数
4.1.1铜的特性
4.1.2PCB介质材料FR4
4.1.3其他常用物理量
4.2信号估计
4.2.1信号传播速度
4.2.2信号上升时间与有效带宽
4.2.3数字信号的传输率与带宽
4.3PCB寄生参数
4.3.1PCB走线的直流电阻
4.3.2走线的寄生电容
4.3.3走线的寄生电感
4.3.4过孔的寄生参数
4.4信号完整性估计
4.4.1集肤深度
4.4.2地弹电压
4.4.3回流电流密度分布
4.4.4串扰
第5章特殊PCB设计的经验规则
5.1双层电路板
5.1.1双层电路板的局限性
5.1.2双层电路板布线经验规则
5.2DCDC开关电源电路
5.2.1电路原理和关键回路
5.2.2PCB叠层
5.2.3元件布局和布线
5.2.4地平面处理
5.3USB电路
5.3.1USB PCB布线要求
5.3.2多层PCB叠层
5.3.3阻抗设计
5.3.4布线和布局
5.3.5长度匹配
5.3.6电源
5.3.7EMC/ESD措施
5.4ADC/DAC电路
5.4.1电路布局
5.4.2地和电源平面
5.4.3ADC芯片外露焊盘(EPAD)
5.4.4去耦电容
5.4.5布线
5.4.6过孔
5.5BGA电路
5.5.1BGA封装特点
5.5.2BGA布线的实用经验规则
5.6单片机电路
5.6.1电源和去耦电容
5.6.2数字地和模拟地
5.6.3外部晶振
5.6.4时钟和输出端口设置
第6章高速PCB设计经验规则应用案例
6.1PCB设计学习资源
6.2开源硬件项目介绍
6.2.1BeagleBoardX15电路分析
6.2.2电路功能模块分组
6.3PCB叠层设计
6.4布局设计
6.5数据传输线阻抗设计
6.6PCB布线分析
6.6.1BGA布线
6.6.2SERDES接口布线
6.6.3DDR3布线
6.7地平面和电源平面

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前　　言

印制电路板（PrintedCircuit Board,PCB）上的铜箔走线，曾经可以看作是连接元件的导线，PCB 布线最重要的工作是考虑怎么在尽可能小的电路板上连通各个元件。然而今天这种看法已经不合时宜了。电子技术尤其是集成电路的发展趋势是：集成电路的功能越来越多，芯片集成度越来越高，而且混合信号芯片可能同时包含数字、模拟和射频电路等单元。电路系统越来越复杂，运行速度也越来越快，时钟频率高达几吉赫兹甚至几十吉赫兹，在这种情况下，PCB上的铜箔走线不能再看作简单的导线，它们的分布参数比如寄生电容、寄生电感等不能被忽视，而必须以分布参数的传输线来看待。PCB上铜箔的几何形状、基材的介电常数、过孔、元器件封装等共同决定了电路中信号传输的质量，设计者需要考虑诸多因素，高速PCB设计的难度也大大增加。
随之而来的信号完整性研究，也极大地增加了高速PCB布线的学习难度，各种专有名词和概念层出不穷，如传输线、阻抗、差分、共模/差模、串扰、反射、衰减、时序偏移、抖动、电源分配网络、轨道塌陷、同步开关噪声、过冲、振铃、地弹等。
高速PCB电路中，常见的设计问题可以分为四类。
第二类是信号线之间的串扰。信号串扰同样会导致信号失真和时序问题，引起数据传输错误。

印制电路板（PrintedCircuit Board,PCB）上的铜箔走线，曾经可以看作是连接元件的导线，PCB 布线最重要的工作是考虑怎么在尽可能小的电路板上连通各个元件。然而今天这种看法已经不合时宜了。电子技术尤其是集成电路的发展趋势是： 集成电路的功能越来越多，芯片集成度越来越高，而且混合信号芯片可能同时包含数字、模拟和射频电路等单元。电路系统越来越复杂，运行速度也越来越快，时钟频率高达几吉赫兹甚至几十吉赫兹，在这种情况下，PCB上的铜箔走线不能再看作简单的导线，它们的分布参数比如寄生电容、寄生电感等不能被忽视，而必须以分布参数的传输线来看待。PCB上铜箔的几何形状、基材的介电常数、过孔、元器件封装等共同决定了电路中信号传输的质量，设计者需要考虑诸多因素，高速PCB设计的难度也大大增加。
 随之而来的信号完整性研究，也极大地增加了高速PCB布线的学习难度，各种专有名词和概念层出不穷，如传输线、阻抗、差分、共模/差模、串扰、反射、衰减、时序偏移、抖动、电源分配网络、轨道塌陷、同步开关噪声、过冲、振铃、地弹等。
 高速PCB电路中，常见的设计问题可以分为四类。
第一类是因信号传输路径阻抗的不连续造成的反射。信号反射会导致信号波形失真，引起数字信号电平误判； 反射也会导致信号传输延迟，引起数据传输时序问题； 反射引起的过冲和振铃会产生不必要的电磁干扰辐射。
 第二类是信号线之间的串扰。信号串扰同样会导致信号失真和时序问题，引起数据传输错误。
 第三类是地弹噪声。高速数字电路中，大量信号电平的高速切换会在地线里集中产生高频瞬态电流，从而产生地上的电压噪声，由于电路中的地电平是所有信号的参考电平，所以地电位的变化会影响其他信号，导致噪声增加、时序偏移和数据传输错误等问题。
 第四类是电源分配网络问题。在PCB电路中，电源分配网络在各个工作频率下的阻抗决定了线路上器件的电源完整性，阻抗—频率曲线上的尖峰将导致电源轨塌陷、电源压降、振荡等问题，并在整个电源分配网络中传播，从而影响电路的正常工作。
 高速PCB设计工作基本上要围绕这四大主题进行，它们也是解决其他问题的基础和手段，比如信号衰减和EMC问题。
 硬件工程师，尤其是PCB设计人员，不仅要熟练掌握EDA软件，还需要掌握高速PCB中高速信号传输、信号完整性、电源完整性、EMC等知识。然而要完整、深入地学习这些知识是比较困难的，除了实践经验以外，还要有电子线路、模拟/数字电路 ，甚至电磁场理论、微波电路原理等方面的专业知识。大多数从业者都没有受过这方面的系统教育，只能在实践中摸爬滚打 ，积累经验。另一方面，可能是PCB设计技术更注重实践经验的原因，大学的电子专业课程中很少涉及高速PCB设计技术的内容，即便是本科电子专业的大学生，刚入行时也很难马上掌握相关的知识和技能。
 在长期的电子产品开发生涯中，笔者见证了许多没有多少高等教育经历的电子技术人员和没有多少实践经验、刚毕业的大学生，在工作中边实践边学习，成长为优秀电子工程师的过程。结合自己的学习经验，我总结出一条学习高速PCB设计的路径，就是在具备一般电子电路开发技能的基础上，从实践出发，优先掌握高速 PCB设计的经验规则； 然后在电路设计中边实践边体会，学习经验规则背后的理论知识，学到的理论知识又反过来指导学习新的经验规则，甚至总结出自己的经验规则。这个过程反复迭代，直至达到一个无论是在实际技能上还是理论分析上的更高水平。
 所谓经验规则就是在PCB设计的长期实践中积累、总结并流传下来的经验， 这些经验规则虽然很少能在理论研究的书籍或课本上找到，但由于具备很强的实用性而在行业内口口相传。掌握 了这些经验规则就能很快地应用在PCB设计中，且能迅速地解决设计当中的问题，提高设计效率。
 本书的内容围绕高速PCB设计的经验规则展开，第1章和第2章首先介绍了什么是经验规则，它在设计中有什么作用，使用的条件场景等； 在随后的4个章节中，就高速PCB设计的四大主题详细说明了主要的经验规则，并解释了其背后的理论依据 和分析验证结果，还对规则在应用中的使用条件和场景做了说明； 第6章以一个高速PCB设计的实际案例介绍了经验规则的具体运用。
 本书力求在高速PCB设计领域，为电子工程师、产品开发和生产技术人员、在校学生提供模块化的知识体系，内容覆盖高速PCB设计的主要领域，同时各主题相对独立完整，有利于读者碎片化学习，并能迅速学习掌握并应用到具体的设计工作中，转化为生产力。
 需要说明的是，尽管学习高速PCB设计的经验规则有立竿见影的实际效果，但它并不妨碍进一步的理论学习和研究。实际上，一个优秀的PCB设计工程师不仅要有丰富的实践经验和实际工作能力，还要有扎实的理论基础，必须了解高速信号传输的原理、电磁兼容性、信号完整性等基础知识，学习高速信号的特性、传输线理论、信号传输模型等内容。而学习掌握和熟练运用经验规则，有助于读者进行系统的高速PCB设计的理论学习和建立信号完整性的知识体系。
本书特色
本书侧重理论知识与实践经验的结合运用，对经验规则予以详细、严谨的理论推导或验证，但提倡在实践中灵活运用，以达到经验规则容易理解记忆、放心使用的目的。本书不进行深入的理论阐述，而是通过讲解一条一条具体经验规则的应用，让读者了解经验规则的来历，掌握经验规则的理论依据、使用条件和对结果分析，并能迅速应用在实际的设计工作中。
 作者2024年8月

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