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全书包括：硬件系统设计中的常见需求，设计中需要考虑的各类概要设计及开发平台的归纳，SI的理论分析及满足SI的常用设计方法，PI的理论分析及满足PI的常用设计方法，EMC/EMI的理论分析及满足EMC/EMI的常用设计方法，DFX的理论分析及满足DFX的常用设计方法，电路设计中常用各类器件的原理说明及常用电路的原理图设计，对PCB设计中的布局、布线及PCB的板级仿真分析进行了归纳分类，对PCB设计的后续工作及PCB加工的技术要求进行了归纳总结。

目    录

第1章  需求分析	1
1.1  功能需求	1
1.1.1  供电方式及防护	1
1.1.2  输入与输出信号类别	2
1.1.3  无线通信功能	2
1.2  整体性能要求	7
1.3  用户接口要求	8
1.4  功耗要求	9
1.5  成本要求	10
1.6  IP和NEMA防护等级要求	10
1.7  需求分析案例	11
1.8  本章小结	15
第2章  概要设计及开发平台	16
2.1  ID及结构设计	16
2.2  软件系统开发	18
2.2.1  无操作系统的软件开发	19
2.2.2  有操作系统的软件开发	20
2.2.3  软件开发的一般流程	22
2.3  硬件系统概要设计	24
2.3.1  信号完整性的可行性分析	24
2.3.2  电源完整性的可行性分析	26
2.3.3  EMC的可行性分析	32
2.3.4  结构与散热设计的可行性分析	34
2.3.5  测试的可行性分析	41
2.3.6  工艺的可行性分析	44
2.3.7  设计系统框图及接口关键链路	46
2.3.8  电源设计总体方案	48
2.3.9  时钟分配图	51
2.4  PCB开发工具介绍	52
2.4.1  Cadence Allegro	54
2.4.2  Mentor系列	58
2.4.3  Zuken系列	62
2.4.4  Altium系列	62
2.4.5  PCB封装库助手	63
2.4.6  CAM350	71
2.4.7  Polar Si9000	73
2.5  RF及三维电磁场求解器工具	82
2.5.1  ADS	82
2.5.2  ANSYS Electromagnetics Suite	84
2.5.3  CST	85
2.5.4  AWR Design Environment	86
2.6  本章小结	86
第3章  信号完整性（SI）分析方法	87
3.1  信号完整性分析概述	87
3.2  信号的时域与频域	88
3.3  传输线理论	90
3.4  信号的反射与端接	97
3.5  信号的串扰	101
3.6  信号完整性分析中的时序设计	103
3.7  S参数模型	108
3.8  IBIS模型	111
3.9  本章小结	113
第4章  电源完整性（PI）分析方法	114
4.1  PI分析概述	114
4.2  PI分析的目标	120
4.3  PI分析的设计实现方法	122
4.3.1  电源供电模块VRM设计	122
4.3.2  直流压降及通流能力	122
4.3.3  电源内层平面的设计	123
4.4  本章小结	128
第5章  EMC/EMI分析方法	129
5.1  EMC/EMI分析概述	129
5.2  EMC标准	130
5.3  PCB的EMC设计	130
5.3.1  EMC与SI、PI综述	130
5.3.2  模块划分及布局	131
5.3.3  PCB叠层结构	132
5.3.4  滤波在EMI处理中的应用	139
5.3.5  EMC中地的分割与汇接	140
5.3.6  EMC中的屏蔽与隔离	140
5.3.7  符合EMC的信号走线与回流	141
5.4  本章小结	144
第6章  DFX分析方法	145
6.1  DFX分析概述	145
6.2  DFM——可制造性设计	145
6.2.1  印制板基板材料选择	146
6.2.2  制造的工艺及制造水平	148
6.2.3  PCB设计的工艺要求（PCB工艺设计要考虑的基本问题）	148
6.2.4  PCB布局的工艺要求	152
6.2.5  PCB布线的工艺要求	154
6.2.6  丝印设计	155
6.3  DFT——设计的可测试性	156
6.4  DFA——设计的可装配性	156
6.5  DFE——面向环保的设计	156
6.6  本章小结	157
第7章  硬件系统原理图详细设计	158
7.1  原理图封装库设计	158
7.2  原理图设计	161
7.2.1  电阻特性分析	162
7.2.2  电容特性分析	169
7.2.3  电感特性分析	174
7.2.4  磁珠特性分析	177
7.2.5  BJT应用分析	179
7.2.6  MOSFET应用分析	184
7.2.7  LDO应用分析	193
7.2.8  DC/DC应用分析	196
7.2.9  处理器	205
7.2.10  常用存储器	207
7.2.11  总线、逻辑电平与接口	226
7.2.12  ESD防护器件	252
7.2.13  硬件时序分析	254
7.2.14  Datasheet与原理图设计的前前后后	255
7.3  Pspice仿真在电路设计中的应用	257
7.4  本章小结	261
第8章  硬件系统PCB详细设计	262
8.1  PCB设计中的SIPIEMCEMIESDDFX	262
8.2  PCB的板框及固定接口定位	270
8.3  PCB的叠层结构：信号层与电源平面	272
8.3.1  PCB的板材：Core和PP，FPC	272
8.3.2  传输线之Si9000阻抗计算	278
8.3.3  PCB平面层敷铜	278
8.4  PCB布局	279
8.4.1  PCB布局的基本原则	280
8.4.2  PCB布局的基本顺序	281
8.4.3  PCB布局的工艺要求及特殊元器件布局	282
8.4.4  PCB布局对散热性的影响：上风口、下风口	282
8.5  PCB布线	283
8.5.1  PCB布线的基本原则	290
8.5.2  PCB布线的基本顺序	291
8.5.3  PCB走线中的Fanout处理	293
8.6  常见电路的布局、布线	295
8.6.1  电源电路的布局、布线	295
8.6.2  时钟电路的布局、布线	297
8.6.3  接口电路的布局、布线	298
8.6.4  CPU最小系统的布局、布线	305
8.7  PCB级仿真分析	311
8.7.1  信号完整性前仿真分析	312
8.7.2  信号时序Timing前仿真分析	312
8.7.3  信号完整性后仿真分析	313
8.7.4  电源完整性后仿真分析	314
8.7.5  PCB级EMC/EMI仿真分析	316
8.8  本章小结	317
第9章  PCB设计后处理及Gerber输出	318
9.1  板层走线检查及调整	318
9.2  板层敷铜检查及修整	319
9.3  丝印文字及LOGO	320
9.4  尺寸和公差标注	320
9.5  Gerber文档输出及检查	320
9.6  PCB加工技术要求	327
9.7  本章小结	328
附录A  Orcad PSpice仿真库（capturelibrarypspice和capturelibrarypspiceadvanls
目录）	329
附录B  Cadence Allegro调试错误及解决方法	333
附录C  Allegro错误代码对应表	342
参考文献	347

前    言

对于刚刚进入电子系统设计殿堂的设计者，很多时候对电子设计领域已广泛使用的开发平台没有一个总体的认识，使自己的开发设计局限于某一个或几个平台，无法跟随业界的主流开发环境，无法在众多的开发工具中找到属于自己的“倚天屠龙”。如果长时间局限于一个界限范围内，当设计水平到达一定程度后就会出现属于自己特有的职业生涯瓶颈或技术瓶颈。目前电子系统设计主流的开发平台、主流的系统设计流程是怎样的呢？
对于初入硬件系统设计领域的开发者来说，在进行一个新的项目或一个新的系统设计时，如果在系统开发时先对需求和系统的设计框架有一个清晰的认识，再逐步深入系统设计的方方面面，就能在系统开发中做到游刃有余，并在设计开发的过程中逐步开阔自己的眼界，使自己的系统设计架构能力不断得到提高，为现在及以后的系统架构设计和系统开发风险的评估奠定坚实的基础。如何在系统开发前对系统中的常见需求有一个清晰的认识，把控用户的需求和系统的概要设计架构呢？
随着技术的发展，大量数据的处理需求随处可见，硬件系统作为大数据及高速率处理的平台，随之出现的是高速电路设计的需求。高速电路设计突出“高速”，其设计思路已不能再局限于传统的物理互联设计，其互联通道充斥着各种寄生参数，并且传输线理论也广泛应用于高速互联设计。随着系统的复杂高速互联，信号完整性（SI）问题、电源完整性（PI）问题、EMC/EMI问题及满足DFM工艺设计要求的DFX要求随之而来。高速系统设计中，对如此多的问题和知识点能否抽丝剥茧找到一个切口，慢慢地渗入其中，深入设计的深处，并能够不再对烦琐的、可怕的专业术语感到恐惧，不断萃取这些知识用于实际设计，不断前进、不断提升自己呢？
在电路的原理性设计中，常用的分立元器件及各功能的IC种类不是无限的，能否对常用器件的性能、使用方法及注意事项进行归类总结，便于在设计中进行参考呢？
不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。PCB的设计是由无数的点、线、面综合连接而成，倾注了PCB设计工程师的心血。在烦琐的互联中是否有规律可循，能否对PCB设计中的各类技巧、方法进行整理、归纳，以规范性的文档用于日常的设计并在设计中反复验证，提炼出属于自己的PCB设计思想呢？
PCB的加工都有一定的加工技术要求，与PCB厂家进行有效的沟通，将自己的设计思想及要求让PCB厂家完完全全、明明白白地理解是保证加工出的PCB与设计的PCB无限接近的基础。能否对PCB加工的技术要求进行规范的文档说明，使PCB自己能够对厂家进行详尽的介绍呢？
带着对以上诸多疑问的苦苦思索，我们开始了本书的构思及编写。
本书从实际电路设计入手，按照硬件系统的设计流程，对需求分析、概要设计、原理图的详细设计、PCB的详细设计及在电路设计中的信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、DFX进行了综合论述并对每一部分内容都进行了分类和总结。
第1章在需求分析部分对硬件系统设计中的常见需求进行了归类，并对其中涉及的部分方案、方法和IC厂家进行了对应的衔接。
第2章在概要设计部分对概要设计中常常需要考虑的各类设计的可行性进行了分类归纳及说明，如信号完整性的可行性分析、电源完整性的可行性分析、EMC/EMI的可行性分析等；在开发平台部分对目前业内主流的PCB设计平台、PCB仿真分析平台及3D电磁场分析平台进行了概述。
第3章在信号完整性分析部分详细说明了信号完整性产生的原因及相应的解决方法，并对信号完整性分析中常用的IBIS模型和S参数模型进行了说明。
第4章在电源完整性分析部分分析了电源完整性产生的原因，并对电容的去耦特性、平面的去耦特性、平面的谐振特性及电源完整性中的目标阻抗设计方法进行了说明。
第5章在EMC/EMI分析部分分析了EMC/EMI问题，并对PCB设计中满足EMC/EMI的布局、布线及叠层的常用设计方法进行了分类和总结。
第6章在DFX分析部分对设计中的DFX进行了归类说明，并详细论述了PCB中的工艺设计要求及满足PCB工艺设计要求的常用设计方法。
第7章在硬件系统原理图详细设计部分对电路设计中常用的各类器件进行了原理性说明，并对其在电路设计中的应用进行了归类和总结。
第8章在硬件系统PCB详细设计部分从PCB的布局、布线及PCB的板级仿真角度进行了归类论述，对PCB的布局、布线注意事项及方法进行了详细的说明。
第9章在确认PCB的加工图纸阶段，对PCB的后续处理及PCB加工技术要求进行了归类及详细说明。
本书在编写的过程中查阅了大量的资料，文中的很多技术观点与设计思路都是各位同行在教学和工程设计中共同探讨的结果，在此向提供资料的同事、朋友及各大电子设计论坛的电子设计爱好者表示真诚的感谢。本书在编写的过程中也得到了亲人的大力支持，在此表示衷心的感谢。
由于作者的水平有限，错误和疏漏之处在所难免，欢迎广大专家和读者指正。


张志伟  王新才
2014年4月

参加国家863课题“数字化家庭信息系统”， 负责系统兼容性分析参加国家863课题“IEEE1394协议栈研究”， 负责系统可靠性分析主持省级精品课程“高频电子线路”主持校级精品课程“高频电子线路”从事电子系统设计及兼容性分析主讲：模拟电子技术基础、高频电子线路、数字信号处理

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