前言

《高速电路设计进阶》是我写作的第二本书，距离我写作第一本书《高速电路设计实践》已有15年了。得益于这15年间从事大量高复杂度产品设计获得的经验，得益于在产品设计中对大量故障问题的深度复盘与思考，得益于最近若干年与众多企业、研究所进行的技术评审合作和技术交流，我对产品设计中常见的故障、工程师在设计中容易出现的错误有了更广泛的了解。这些经历为写作本书提供了巨大的帮助。

在内容上，本书与《高速电路设计实践》没有任何重复，也没有前后接续关系。

本书秉承用浅显易懂的方式，把复杂的问题讲清楚的写作原则，不罗列设计指南，着重讲述问题的原理和分析。无论信号完整性设计，还是电源电路设计，它们最核心的技术原理，都可以用工程师容易理解的方式来阐述。

在从事技术工作的过程中，我深刻地体会到，以知其然并知其所以然的研究态度，从原理出发，才能在设计、调试、测试的过程中，少走弯路，高效成功。

举一个故障调试的例子。

某数据通信设备，在通信机房工作的过程中遇到了接口芯片损坏的问题。该芯片损坏的引脚能够承受的最高电压为20V。令人疑惑的是，测试团队构造了多种冲击，均无法在该引脚上测得超过20V的冲击电压；另一个令人疑惑的是，在用户接口和接口芯片之间，已经放有钳位电压低于20V的TVS，而从现场故障上看，接口芯片被打坏，而TVS仍旧是好的。

对这个问题，我们若是仅从表面现象上看，是很难找到突破口的，但若从芯片损伤原理、TVS保护原理、测试原理、电压冲击的产生原理这几个角度看，则会发现不少值得深入研究的线索。

第一，从芯片损伤原理看，可以根据失效分析报告推测芯片损伤的原因。芯片损伤的原因主要有几种：静电打击、电压应力过大、电流应力过大。本例中，失效分析报告指出的是电压应力过大。

第二，从电压应力损伤的原理看，该芯片的损伤的原因应该是引脚上承受了超过20V的电压冲击。

第三，从测试原理看，为什么在实验室构造了多种冲击，却测不到超过20V的电压尖峰？原因有可能是，在测试中采用了前端容性过大的无源探头，将实际存在的电压尖峰进行了高频滤波。值得注意的是，厂家标配的探头，大多都是前端容性较大的无源探头。

第四，从TVS的保护原理看，虽然钳位电压低于20V，但是在承受冲击时，由于响应延时而会残留一定的冲击前沿，该冲击前沿振荡虽然持续时间非常短，但若被保护芯片端口的防护能力比较弱，仍然可能会受到一定的影响。

第五，从电压冲击产生的原理看，有两个方面值得研究：一个方面是，实验室构造出来的冲击波形，边沿是否足够地快，若边沿较慢，则不一定能反映在真实工作场景中电压快速突变对芯片造成的压力；另一个方面是，该电压冲击可能并非由外部产生，而产生于TVS之后，是与接口芯片共用供电路径的其他负载在工作时产生的负载突变，进而造成了电压冲击，对接口芯片造成影响。

基于以上五点原理分析，我们可以对故障调试进行优化：

第一，采用低输入电容的探头进行测试；

第二，在实验室测试时，构造边沿更快的外部冲击；

第三，对与接口芯片共用供电路径的其他负载进行电压监测，查看是否存在负载突变造成的电压冲击振荡。

以上这个例子，我们从原理出发，发现了更多的线索，调试也有了方向。

学而不思则罔，思而不学则殆。如果仅仅依靠死记硬背设计要点，则在设计中会经常迷惘。这方面的例子也不胜枚举。

例如，对于晶体振荡电路的XIN和XOUT的两根时钟信号线的处理，从不同角度出发，可以看到两种完全不同的处理方式：一种方式是将信号线加粗、包地；另一种方式是避免将信号线加粗、包地。表面上看这两种处理方式互相矛盾，不可能同时成立，但实则都有道理，只是看问题的角度不同而已。第一种处理方式着眼于提高设计的抗干扰能力。第二种处理方式则着眼于减小走线电容对晶体负载容性的影响，降低容性负载过重导致晶体停振问题发生的可能性。

又如，长距离电源走线的寄生电感和寄生电容会产生谐振峰问题，有时在电源能量突变瞬间产生较大的过冲和振荡，对负载芯片造成电压应力。这个问题有很多解决方案，其中，增大电容和减小电容都可以成为解决这个问题的方案。表面上看这两种解决方案是矛盾的，实则仍然只是处理问题的角度和方式不同而已。增大电容有助于降低谐振峰的增益，减小电容则有助于提高谐振峰出现的频段。很显然，只是记住这两个解决方案，对问题是没有帮助的。比如，原设计中电容容值为10μF，难道增大电容容值为11μF或减小电容容值为9μF，都同时可以减小电压的冲击振荡？并非如此。所以，仅靠牢记设计要点，而不理解设计要点背后的原理，不仅无法达到期望的效果，而且经常会令工程师自己迷惘。

再如，对电感工作特性的理解。我们一般会在电源电路、滤波电路、能量补偿电路这几个环节与电感打交道。显而易见的是，在这些环节，对于电感类型选择、电感感值计算、额定参数的确定，需考虑的因素是不一样的。举一个电源电路的例子，我曾经接到过两个公司对两种电源电路的咨询，故障表现都是电源输出端电压波动过于剧烈。从诊断结果来看，一个电源电路可以通过将电感感值增大来减小波动，而另一个电源电路则通过将电感感值减小来达到同样的目的。对于这类问题，不深入分析问题的原理，就很难找到正确的问题解决方案。

如何培养并加强自己对技术原理的理解？一个对我帮助很大的方法是，坚持对技术问题的深入复盘。本书列举的不少工程案例就来自这些复盘。

每个工程师在工作中都会遇到技术难题，集中一段时间进行技术攻关，找到解决办法，这项工作就结束了。但事实上，对技术能力提升最有贡献的阶段，恰恰是在找到解决办法之后才开始的。在找到故障解决方案后，应立即进行技术复盘，理清楚问题出现的原因、整理调试的过程，分析是在哪个环节找到的故障线索，深入挖掘故障产生的本质原因，以及解决方法的原理。这个过程不断升华，持之以恒，就能逐步地实现对技术原理的深刻理解。

工作20多年来，我写下的技术复盘相关文档，已经超过一千万字。在这些技术复盘中，有的问题来自我自己负责的设计，有的问题来自技术评审，有的问题来自同事的疑问，有的问题来自与各行各业工程师的技术交流。我的体会是，这些复盘工作，虽然花费了不少时间，但比起技术问题调试所花费的时间，相对而言还是不值一提的。

关于复盘的一个典型例子，是本书第2章的案例2.16。该案例来自某位工程师和我的技术讨论。在该工程师咨询我之前，他已经知道，只要将电源中的电感感值从1.5μH增大到4.7μH，就可以将问题解决。从问题解决的角度看，这个问题到此已经结束了。但该工程师尚不清楚问题的原因，所以特地咨询我，并非常详细地将问题的相关信息做了介绍，配合我做了非常多波形的捕捉。我们的一些发现，经该工程师同意，在案例2.16进行了描述。通过对这个问题的复盘，在原理上，我们可以有不少收获，比如：理解振荡产生的原理；理解为什么增大电感感值，振荡会消失；以及更深刻地理解电源电路中电感的计算公式，而不仅仅只是懂得数学推导过程。

不断的技术复盘，带来的好处是，可以不断深入研究技术问题的本质原因，进而发现各类问题之间的关联，从而增强对技术问题的理解并加快解决速度。这种技术复盘过程，不是简单的经验积累，而是可以有效帮助自己实现技术能力上质的提升。该过程的核心是持之以恒地打破砂锅问到底，不弄明白不罢休。

在20多年的工作中，我在技术复盘的过程中，对很多底层技术原理有了全新的、深刻的认识，受益匪浅。

在一直从事通信设备研发工作的基础上，我还和汽车电子、医疗电子、家用电子等单位有密切的技术交流与合作。我体会到，不同类型产品所遇到的问题，表面上看各式各样，但从底层逻辑和原理来看，绝大多数是相通的。例如，医疗产品中的某个MOSFET问题，很可能和电视机中遇到的某个问题，原理与解决方案是完全相同的；某强电设备在承受浪涌冲击时功能失效的问题，很可能和手机在EMC测试过程中遇到的问题有类似的原因；飞机上某产品遇到的供电时偶尔无法启动的问题，很可能和手扶电梯中的某个瞬时故障，在实质上是同一问题。基于从原理出发分析问题的习惯，可以大幅度提高疑难故障的解决效率。

在技术复盘的过程中，两个关键点是：在时间上要“立刻”，在地点上要“随意”。“立刻”指，复盘开始的时间，距离故障调试这项工作结束的时间越近越好。因为时间上越接近，测试环境保留得越完整，记忆也越不会有缺失。“随意”指复盘记录这项工作，无须在计算机前正襟危坐，吃晚餐时随手拿张纸做些涂写也可以，在手机上写两行提示性的句子也可以，只要最终记得存档即可。关键不在形式，而在把原理弄清楚，并最好能向别人说明白。

对于大多数比较复杂的问题，以为自己理解了，和真正理解了问题的核心，又能给别人讲清楚每个细节并经得起推敲，是完全不同的层次。有一次在天津滨海机场，一位研发工程师打电话咨询我一个技术问题，该问题是我熟知的，所以当即给他做了分析，但该工程师就某一细节的疑问，是我从来没考虑过的，这个问题伴随了我一路旅程，在到达目的地后，我立刻打电话和这位工程师进一步交流，并商量了不少测试方案，最终在我俩的共同努力下，成功地在原理上解释了该细节。所以，多交流，多把自己对技术问题的分析分享给同行，也是提升技术水平的一种重要方式。本书不少技术细节的挖掘，不少自问自答式的分析，正出自我在给同行讲解技术时得到的同行们的提问。这些来自同行们的提问，使我受益良多。

衷心希望本书在技术问题的原理分析上，对读者有所帮助。在最初的构思上，我是希望将本书写成一本覆盖电路设计更多方面的书籍，但落笔后发现这在有限的篇幅上是不现实的，所以本书选择了与高速电路设计紧密结合的三个方面：电源电路、信号完整性和DDRx SDRAM存储器，进行了一些讨论，以抛砖引玉，使读者可以做更深一步的研究。在写作方式上，坚持了从原理出发分析问题的理念，并结合案例，希望以浅显易懂的语言，使读者知其然并知其所以然。我的水平有限，衷心希望得到读者的反馈与指正。

我的微信号是circuit098，联系邮箱是circuit098＠163.com。热忱地欢迎来自各行各业电子工程师们与我进行技术交流。

王剑宇
2024年6月