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内容简介

　　本书从测量的角度出发，全面阐述了电源对系统的影响。作者在第1-3章介绍了测量基础、测量原理以及测试基本常识，比如灵敏度、本底噪声、动态范围、均值以及衰减器和前置放大器的使用，围绕各种测量域如频域、时域、增益、相位以及S参数等展开；第4章以实例介绍了如何使用测试设备测量电源完整性；第5章介绍了各种探头；第6章则围绕电源的分布网络展开；第8-15章介绍了特殊的电源完整性测量方法。

目录

译者序
致谢
第1章　引言 1
1.1　你将从本书学到什么 1
1.2　谁将从本书受益 2
1.3　本书的通用版式 2
1.3.1　为什么测量 2
1.3.2　获得或验证数据 2
1.3.3　设计、选择、优化 4
1.3.4　故障诊断 4
1.3.5　确认或验证 5
1.3.6　术语 6
第2章　测量艺术 7
2.1　无损的原因 7
2.2　不影响结果的测量 7
2.3　验证测试装置和测量限制 8
2.4　以高效和直接方式测量 9
2.4.1　非侵入式测量与侵入式测量 9
2.4.2　在线测量 9
2.4.3　间接测量与直接测量 10
2.5　测量的完整归档 10
2.5.1　测试工程师的名字和联系方式 10
2.5.2　测试的目的 11
2.5.3　仿真或预测的结果是否可用 12
2.5.4　测试日期和物理位置 13
2.5.5　运行测试的环境和条件 13
2.5.6　每种测试设备的名称（包括探头）和校准周期 13
2.5.7　装置的框图或图片 13
2.5.8　测量注释和说明 14
2.5.9　任何观测到的异常 14
2.5.10　结果和任何后续工作的总结 14
第3章　测量基本原理 15
3.1　灵敏度 15
3.2　本底噪声 16
3.3　动态范围 17
3.4　噪声密度 20
3.5　信号平均 23
3.6　标度 25
3.7　衰减器 27
3.8　前置放大器 28
3.9　测量域 30
3.9.1　频域 30
3.9.2　增益和相位 30
3.9.3　S参数 30
3.9.4　阻抗 31
3.9.5　时域 31
3.9.6　频谱域 33
3.9.7　测量域的比较 34
3.10　尾注 36
第4章　测试设备 37
4.1　频率响应分析仪和矢量网络分析仪 38
4.1.1　Omicron Lab Bode 100 38
4.1.2　Agilent E5061B 39
4.2　示波器 39
4.2.1　Teledyne Lecroy Waverunner 6 Zi 39
4.2.2　Rohde & Schwarz RTO1044 40
4.2.3　Tektronix DPO7000 41
4.2.4　Tektronix DPO72004B 41
4.2.5　Teledyne Lecroy Wavemaster 8 Zi 41
4.2.6　Tektronix MSO5204 42
4.2.7　Teledyne Lecroy HDO6104 43
4.2.8　Tektronix MDO4104-6 44
4.2.9　Omicron Lab ISAQ 100 44
4.3　频谱分析仪 45
4.3.1　Tektronix RSA5106A 45
4.3.2　Agilent N9020A 46
4.3.3　Agilent E5052B 46
4.4　信号发生器 47
4.5　TDR/TDT S参数分析仪 48
4.5.1　Picotest G5100A 48
4.5.2　Tektronix DSA8300/80E10 48
4.5.3　Teledyne Lecroy SPARQ 4012E 50
4.5.4　Agilent E5071C 50
第5章　探头、注入器和互连 52
5.1　电压探头 52
5.1.1　探头电路相互影响 53
5.1.2　探头响应平坦化 55
5.1.3　测量确认 56
5.1.4　选择电压探头 57
5.1.5　无源探头 58
5.1.6　有源探头 59
5.1.7　差分探头 60
5.1.8　特殊探头 60
5.1.9　其他连接 68
5.2　尾注 68
第6章　分布式系统 69
6.1　电源稳压器的噪声路径 70
6.1.1　内部噪声 70
6.1.2　电源抑制比 72
6.1.3　输出阻抗 74
6.1.4　反向传输和串扰 74
6.2　控制环路的稳定性 75
6.2.1　对输出阻抗的影响 76
6.2.2　对噪声的影响 76
6.2.3　对电源抑制比的影响 77
6.2.4　对反向传输的影响 77
6.3　差的稳定性如何传入系统 78
6.4　尾注 82
第7章　阻抗测量 83
7.1　选择一种测量方法 83
7.1.1　单端口测量法 83
7.1.2　两端口测量法 94
7.1.3　电流注入器测量 107
7.1.4　阻抗适配器 108
7.2　尾注 113
第8章　测量稳定性 115
8.1　稳定性及其必要性 115
8.1.1　控制环基础知识 115
8.1.2　增益裕量、相位裕量、延时裕量以及稳定性裕量 116
8.1.3　伯德图和奈奎斯特图 117
8.1.4　开环测量 121
8.1.5　注入设备 122
8.1.6　探头 124
8.1.7　闭环测量 129
8.1.8　上电和断电测量 129
8.1.9　正向测量 130
8.1.10　小环路增益 130
8.1.11　非侵入式闭环测量 133
8.2　尾注 136
第9章　PSRR测量 137
9.1　测量方法 137
9.1.1　在线或离线测量 137
9.1.2　直接或间接测量 138
9.2　输入调制 138
9.2.1　线路注入器 139
9.2.2　电流注入器 142
9.2.3　DC放大器 143
9.3　选择测量域 143
9.3.1　矢量网络分析仪 143
9.3.2　频谱分析仪 143
9.3.3　示波器 144
9.3.4　探头和灵敏度 144
9.4　尾注 150
第10章　反向传输和串扰 151
10.1　不同拓扑结构的反向传输 151
10.1.1　串联线性稳压器 151
10.1.2　并联稳压器 152
10.1.3　POL稳压器 153
10.1.4　运算放大器 153
10.2　调制输出电流 153
10.2.1　电流注入器 154
10.2.2　DC偏置注入器 154
10.3　测量输入电流 154
10.4　测量输入电压 156
10.5　间接测量 157
10.6　尾注 162
第11章　阶跃负载响应测量 163
11.1　瞬态的产生 163
11.1.1　电流注入器和电子负载 163
11.1.2　斜率 164
11.1.3　电流调制波形 166
11.2　测量响应 167
11.2.1　大信号与小信号 168
11.2.2　注意平均 168
11.2.3　采样率和时间刻度 170
11.3　尾注 175
第12章　测量纹波和噪声 176
12.1　选择一种测量方法 176
12.1.1　系统内测量与系统外测量 177
12.1.2　直接测量与间接测量 177
12.1.3　时域测量与频域测量 177
12.2　互连设备 177
12.2.1　示波器无源探头 178
12.2.2　示波器有源探头 178
12.2.3　直接使用50 Ω端接 178
12.3　选择设备 179
12.4　平均模式和滤波 192
12.5　尾注 193
第13章　边沿测量 194
13.1　带宽与上升时间 194
13.1.1　上升时间的级联 197
13.1.2　工作带宽与滤波器的影响 200
13.2　采样率与交错采样 202
13.3　内插 203
13.4　同轴电缆 204
13.5　探头连接的重要性 206
13.6　PCB因素 208
13.7　探头 208
13.8　尾注 212
第14章　用近场探头排除故障 213
14.1　电磁辐射基本理论 213
14.2　近场探头 214
14.3　探头和方位 215
14.4　测量仪器 217
14.5　频谱门限 217
14.6　尾注 229
第15章　高频阻抗测量 230
15.1　时域 230
15.2　校准 231
15.3　参考面 232
15.4　设置TDR脉冲上升时间 235
15.5　TDR测量结果的分析 237
15.6　评估电感和电容 240
15.7　S参数测量 245
15.8　尾注 247

前言/序言

　　译　者　序　　正如本书作者所说，写这本书是一项重大的任务，组织翻译本书也不简单。机械工业出版社的张国强和我是认识多年的朋友，有一天他问我有没有兴趣翻译市场上最新出版的一本电源完整性方面的书籍。对于我这个从未著书立说过的凡夫俗子来说，当然有兴趣一试。虽然在多年之前博客盛行的时候，我也从俗写过几年的博客，其中也花心思翻译了一些文章，但终归是不成体系。另一方面，几年前也曾经组织翻译另一本关于电源配送网络的书籍（作者是Istvan Novak），可惜半途而废。这一次想着通过翻译本书，对翻译一本完整的书籍多少算是一点交代。 　　国内关于这类主题的第一本流行和普及开来的书是Howard Johnson写于1993年的《高速数字设计》，这本书可以说是真正意义上的信号完整性的开篇之作。这本书出版后的20年恰好是高速数字电路蓬勃发展的20年，它也因此成了无数工程师的工具书和引经据典的必然参考。这本书最早在国内翻译出版是10年以后的事，也就是2004年，跟国内的高速发展现状和需求基本是同步的。当时，华为的高速实验室刚组建不久，国内还没形成高速互连这一较细的分工。当然，在此后的几年里，高速的概念开始渐渐普及，各种信号完整性书籍陆续翻译出版。 　　到目前为止，几乎稍有规模的通信企业都或多或少地组建了高速互连团队，对信号完整性的认识也相对比较完善了，而电源完整性的一些问题则渐渐凸显，开始提上台面。相对于信号完整性来说，电源完整性是既陌生又熟悉的领域。说熟悉是因为所有的电子系统都需要电源，大家每时每刻都在跟电源打交道；说陌生，是因为对于电源有高要求的场合，比如低纹波、低噪声、快速响应等，电源又会成为棘手的问题。对于目前已很常见的高速高密度应用来说，如何满足电源完整性要求已成为一个挑战。 　　对于当下的应用来说，低电压、大电流已成为一个基本趋势，但恰恰是这一现状，对电源完整性提出了非常高的要求。你不得不从整个电源配送路径上考虑问题，尤其是高速芯片BGA区域的电源路径。这一区域的电源平面阻抗要求非常苛刻，但你又必须在因密集的扇出过孔而造成的支离破碎的电源平面和很难在引脚处加上去的去耦电容现实面前做出选择。也许选用电容材料是个解决思路，但瞬间提高的成本又成为拦路虎。同时，如何很好地确定电源平面的目标阻抗也是一个难题，并不像书上说得那么理想，去耦效果和成本之间必须做出很好的折中。 　　当然，本书并没有纠缠在电源平面阻抗这一细节里，而是从测量的角度出发，全面阐述了电源对系统所产生的影响，使得原本比较有针对性的电源完整性这一专业术语，扩展到整个供电路径上的电源品质和影响这一层面上。作为一名有10年以上测量经验的同行来说，我深知测量的意义，尤其是这几年负责兴森快捷的高速实验室，得益于公司的大力支持，每年花费几百万元经费，详细研究了PCB技术对高速链路的影响，对于一些书本或网络上似是而非的结论，完全体会了“纸上得来终觉浅，绝知此事须躬行”的古训。当然，这些研究工作的价值已经在25Gb/s高速互连的各种应用上体现出来。 　　作为一本基于大量实验和测试数据的工程书籍，本书的作者并没有以自己几十年的工作经验作为依据，而是为此书付出了大量的精力和金钱，这种出书的严谨态度是值得学习的。尤其是在当下快文泛滥的风气下，能潜下心来，投入巨大资源，写一本书是不容易的。恰好这几年国内的高速芯片也获得比较快速的发展，封装和芯片的电源完整性设计已成为专门的职业。本书虽然不是针对封装和芯片设计来的，但是对于芯片应用层面来说，仍然具有典型参考意义。 　　当然，得益于这几年芯片的巨大进步，测量技术也获得了长足的进展，本书中关于测量设备的一些结论有些已经过时，针对这些内容，我们也已做了相关的勘误和补充，以期让读者能更全面更正确地认识电源完整性测量技术。 　　本书的翻译分工如下：第1章，邓宝明（网名stupid，下同）；第2、9章，羊杨（阿笨）；第3章，郗亚东（xyd20405）；第4、5章，杨安毅（coziness_yang）；第6、12章，蒋修国（菩提老树）；第7章，谈炯尧（True）；第8章，李劲松（Colin）；第10、15章，梁建（qingdalj）；第11章，王泽龙（agrilseven）；第13章，张迪（ingwt）；第14章，蒋方（若华）。最后，全书由梁建、蒋修国、邓宝明审校。 　　本书有多位译者，每位译者的水平和行文风格很难完全一致，导致审校小组尽力做了修正，但限于译者水平，书中难免有错误和疏漏，恳请读者批评指正。 　　最后，感谢所有为本书出版做出努力的人，同时希望本书能给大家的工作带来帮助。 　　邓宝明致　　谢写本书是一项重大的任务。当然写任何一本书都要费工夫，尤其是需要使用大量必要的仪器进行测量并找到理想的例子。本书中的很多观点较新，所以很多描述必须非常清晰和简要。这项工作需要很多人和公司的大力支持。没有这种支持，我永远都不可能完成此书。我记录下了为这本书审稿的同行评审专家并衷心感谢以下公司和个人，如果有被我遗漏的人，我诚恳地向他们致歉。 　　感谢本书编辑Michael McCabe，以及McGraw-Hill的全体同仁，是他们给了我机会写这本书来讨论这些尚未得到足够关注的话题。特别感谢他们对本书使用彩色印刷。感谢本书的项目经理Kritika Kaushik，她做了大量的工作才使本书面世。 　　感谢我的好友和长期的生意伙伴Charles Hymowitz—— Picotest负责销售和市场的副总，AEi Systems公司的CEO。他读了每一页，并做出修改或给出建议，还提出了很多建设性的意见。这里不再赘言，总之十分感谢。 　　作为朋友和销售伙伴，Omicron Lab的Bernhard Baumgartner、Florian H?mmerle和Wolfgang Schenk提供了一如既往的支持，包括用他们的设备进行无损测量，感谢他们的有益意见和建议。 　　Tektronix公司的Mark Roberts、Stacy Hoffacker、Mike Mende、Amy Higgins和Tom Lenihan给了我很大帮助，无论是讨论设备，回答问题，还是安排租赁仪器的运送。他们也提供了很多意见和建议。 　　Agilent科技有限公司的David Tanaka、Yasuhiro Mori、Eileen Meenan和Hiroshi Kanda，不仅对他们的设备提供了丰富的技术资料，还乐于与我分享这些知识。同时感谢他们提供外借仪器的运送。 　　Rohde & Schwarz公司的Dan Burtraw、 David Rishavy和Mike Schnecker把他们的RTO1044示波器借给我，回答了很多问题，提供了很多真知灼见。 　　Teledyne Lecroy公司的Bob Hahnke、Steve Murphy、Stephen Mueller和Kathleen Woods提供了演示设备，并给出了意见和建议。 　　Picotest公司的Hawk Shang慷慨提供了精密的通用仪器，包括Picotest信号注入器。感谢他所做的一切。 　　Power Electronic Measurement公司的Chris Hewson提供了本书中使用的CWT015探头，并总体上回答了我关于Rogowski电流探头的问题。 　　AEi Systems公司的Paul Ho、Nazila Arefazar、Cesar Redon、Gordon Leverich、Michael Lui、Shivam Patel、Sahar Sadeghi、Josh Behdad、John Aschennbrenner和Tom Boehler，以及How2Power.com的Dave Morrison，感谢你们的意见和建议。感谢AEi Systems公司的Tim Guzman提供的图片。 　　Shawn Winchester和Artescapes提高了本书的示波器和频谱分析仪图片的质量，使它们更加清晰而直观。Shawn还负责Picotest的日常运营，好让我专心写书。 　　对所有的朋友说一声感谢，没有你们就没有这本书。 　　图片来源：Elena Schweitzer/123RF.com在2013年5月游玩奥地利期间，我和Bernhard Baumgartner、我女儿Rachel Sandler以及其他一些人在一座中世纪城堡用餐，我们讨论了在当下如何让书籍畅销的问题。最后的结论是：为了实现这个目标，本书必须有龙。不是其他龙，而是中世纪的龙。我不迷信，但我希望用下图带来好运，使本书更畅销。

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