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1、模拟电路板设计基础设计 1 电路板设计基础 1. 画电路板（PCB）之前的准备工作 （1）画原理图 在画PCB之前，应该有一个完整、正确的原理图，原理图应该用Protel或其他软件中的原理图环境画出。原理图中的信号应该左面输入，右面输出。元件应该有不重复的编号（序号），还要有基本元件参数。图中每个元件属性中应该有正确的封装图名，每个元件的引脚应该有与封装相对应的引脚号。 所谓封装图就是元件引脚焊盘排列图，所谓正确的封装图，就是该封装与实际元件尺寸一致，可以使实际元件焊接在PCB上。 实际上在原理图库中，有很多元件的原理图符号找不到，这需要画元件原理图，有时侯，画一个元件符号，比在元件库中找一个
2、更快。,（2）购买元件 原理图画完之后，应该按照原理图购买元件，所购买元件的封装型式，应该是在画原理图时，在元件属性中输入的封装型式。实际上，经常在购买回元件后，才在原理图中设置元件封装名，因为拿到了元件，才知道封装型式，除非已经用过该元件，熟悉该元件的封装。 在元件封装库中，有很多元件的封装图找不到，这需要画元件封装图，通常画一个元件封装图，比在封装库中找一个更快。,2. 画PCB前应该知道如下术语 （1）公制与英制 电子元件的引脚间距常用英制作为测量单位，所以画元件封装图时，应该使用英制，电路板尺寸或是安装孔等可以使用公制。英制以1/1000英寸为单位，以mil表示， 1英寸为2.54mm
3、，则10mil就是0.254mm；100mil就是2.54mm。另外，线宽、过孔、焊盘和栅格也常用英制。一般情况下，100mil是引脚之间的基本间距，例如，常用的双列直插（DIP）引脚间距就是100mil。 （2）栅格 捕获栅格和元件捕获栅格应该设置成100mil相关的间距，通常为50mil、25mil、20mil、10mil或是5mil。例如捕获栅格为50mil，可以使铜膜线在两个焊盘之间通过。 （3）铜膜线 一般来说，线宽一些，则直流电阻小，电感小，制作容易。线宽的最小值与制作工艺有关，一般以线宽/间距表示，通常以10/10或是8/8表示，一般6/6是下限。 通常情况下，对于信号线的线宽为
4、10mil，地线和电源线越宽越好。,（4）焊盘 焊盘的重要参数是盘直径/孔直径比，一般规则是盘直径是孔直径的1.8倍。 （5）过孔 过孔用于连接电路板两侧的铜膜线，实际上，过孔与焊盘没有区别，过孔尺寸小，最好不要用焊盘代替过孔。通常过孔外直径50mil，孔直径为30mil左右。 （6）铺铜 铺铜就是在电路上大面积的铺设铜膜，该铜膜与地线相连形成大面积的地线，铺铜可以是网状或是实体铜膜。铺铜总是在布线完成后，而且常用实体铺铜。 （7）间距 在通孔电路板设计中，信号线间距最好大于10mil，而贴片电路板，间距可以为8mil或是6mil。,3. 放置元件与布局 电路板工作是布局占90%，布线占10%
5、。即使是简单电路板，100个有经验的设计者，会给出100个设计结果。虽然没有最好的设计，但有一些基本原则可以参考。 （1）设置捕捉栅格、可视栅格和铜膜线宽度与焊盘尺寸，若无特殊要求，可使用默认值。 （2）尽可能将元件按照功能分类布局，元件放置应该均匀，各元件之间的连线最短。还要为布线预留一些空间。 布局时注意区分模拟和数字部分， 连接器应该在电路板边缘。还要使电路板上的元件尽量对称。 布线完成后，应该使用打印机将电路板图按照1：1的比例打印出来， 4. 布线 1）通常采用人工布线而不是自动布线，虽然有些简单电路板可以使用自动布线，但通常人工智能还是高于机器智能（单层板布线时，机器智能比人工智能
6、强）。 2）线越短越好，因为长线增加电阻、电感与电容。 3）避免直角，最好是45，因为直角使线宽度改变，可以引起电磁辐射（EMI）或其他问题。 4）使能电气栅格，可以增加布线速度,2 具有运放电路的PCB设计 1.干扰 来自模拟电路自身原因，使信号不能准确传输，则称为噪声。来自模拟电路外部的原因，使信号不能准确传输称为干扰。 如果某电压、电流信号随时间变化率大，则可能是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能出现快速变化的信号，因此可能成为干扰源。 模拟电路工作需要电源、地线、输入和输出引线，这些引线可将外界干扰引入模拟电路。而电磁辐射信号直接作用到模拟电路上，使模拟电路受到干
7、扰。例如，电路板上单片机的晶体振荡器，就是一个电磁辐射源，可以干扰模拟电路工作。 通常干扰进入模拟电路的路径是铜膜线和直接辐射。 抗干扰设计的基本措施是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高模拟器件的抗干扰性能。,2. 双面板 设计廉价电路，通常采用双面板，好处是两面都可以布线，例如一面布横线，另一面布竖线，可以使布线更容易，但是模拟电路最好是元件与布线在一面，另外一面最好是铺铜作为地线。连续的铺铜地线具有如下好处： （1）接地更容易，因为不需要专门的地线 （2）接地电阻小，减少电流传导噪声 （3）给每一条信号都加了连续电容，可以有效抑制辐射噪声 （4）像一个屏蔽层，阻止电磁辐射噪声 3.接地
8、（1）数字地与模拟地分离 将模拟地与数字地分离可以有效抑制数字部分对模拟部分的干扰。,4）分离的地线应该有公共连接点，所有信号都返回这个地，这个地又称为系统地，图10-2所示的就是模拟与数字同时连接一个接地点的情况。,（5）可以使用两个连接器分别连接数字和模拟地，然后在系统的某一点将该两个连接器与系统地相连。,（6）要使数字信号远离模拟部分，还要保持模拟布线尽可能短。同时数字信号线不能穿过模拟部分，因为数字信号会像天线一样辐射电磁波影响模拟部分。有时单片机时钟频率不高，但是方波的谐波成分丰富，高次谐波会形成电磁辐射。另外与运放同相端与反相端连接的信号线不要平行，还要尽量避免过孔。 （7）应该使
9、模拟部分与其输入、输出、电源和地线连接器靠近，因为长和宽的布线将从数字部分捕获噪声。,（8）接在芯片上的电源线与地线在布线时不要分离太远，特别不要形成一个环形。 （9）去耦 数字电路在改变逻辑状态时，会产生瞬间电流尖峰，而电流尖峰会产生电磁辐射，并通过电源与地线影响模拟电路的运行，通常消除电源与地线中电流尖峰的方法是加去耦电容。 可以使用10F的钽电解与0.1F的瓷片电容滤除电源中的噪声。而且还要在运放的电源引脚端加1个0.11F的瓷片电容去耦，而且电容与电源引脚的连线越短越好。 （10）运放的不使用引脚的处理 运放的不使用引脚应该妥善处理。,（11）元件 因此在高频情况下，应该使用贴片元件，
10、还要保持铜膜线尽可能的短。注意若是信号线很长，则越窄越好。 （12）如果不能使用铺铜作为地线，则应该使地线尽量宽、避免环路。通常应该使电源线比其他线宽2-4倍。 （13）PCB的寄生电阻由铜膜线形成，铜膜线、焊盘、过孔以及并行信号线之间可形成寄生电容，铜膜线、焊盘、过孔，特别是环行布线可产生寄生电感。 高输入阻抗器件的输入引线，应该特别注意电容耦合问题，一定要远离数字走线。 （14）独立AD转换器中的数字地与模拟地都应该连接在模拟地铺铜上，应该使模拟地铺铜的面积不小于其模拟部分面积的75%。,（15）开关电源可能引起噪声，在有开关电源的电路中，应该在电源出线端串连扼流环，并联10F电容，并在所
11、有有电源引脚的芯片上并联去耦电容。 （16）在模拟电路中，增加抗混叠滤波器，滤掉ADC采样频率一半以上频率信号的干扰。 （17）如果一个电路板上还有继电器、大电流驱动等电路，则应该采取如下措施： （a）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。 （b）在继电器触点两端并接火花抑制电路 （c）在接触器线圈两端并接电容与电阻的串联电路，吸收电感电势。 （c）可控硅两端并接RC浪涌抑制电路，减小可控硅产生的噪声 （d）对于长的输入、输出信号传输线，采用光耦隔离干扰。 （e）增加继电器、电机驱动等电路与弱信号电路之间的距离。,（18）单片机电路的基本干扰措施 （1）单片机对电源噪声很
12、敏感，交流220V入线侧加220V电源滤波器。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等设备，应该在I/O口与噪声源之间应加隔离（用形滤波电路或光耦）。 （3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近。 （4）电路板分区布线，如强、弱信号，数字等。尽可能把干扰源（如大电流驱动，继电器等）与单片机远离。 （5）在有A/D、D/A的单片机芯片中，数字电源、地线与模拟电源、地线要分离，最后在一点连接电源、地线。 （6）大功率器件的地线要单独接地，以减小对单片机的干扰。大功率器件应尽可能放在电路板边缘。 （7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等引线处，使用磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩等抗干扰元件
13、，可显着提高电路的抗干扰性能。 （8）按照单片机数据手册，设置闲置的单片机I/O口。 （9）只要能够满足功能需要，则应该尽量降低单片机的时钟速度。,3 热电阻测温装置布局方案例 某热电阻测温装置，测温范围为0200，单片机采用ATmega16L，三位数码管显示。可以用按钮输入设定值，当温度达到设定值后，使继电器动作，实现2位控制。,ADC参考电源由TL431与外围电路组成，输出电压为4.096V，由于ADC为10位，则每个ADC输出数字代表4mV。 在温度0时，ADC输入为2.0V时，ADC输出数字500。 在温度200时，ADC输入为3.5V时，ADC输出数字875。 ADC输出经过数据处理
14、，以3位数字显示，并与预设值比较，控制继电器动作，完成温度控制。,测温系统的电源电路，交流220V经过市售开关电源降压输出直流5V，然后经过低通滤波后分成两路，一路为数字电源，另外一路为模拟电源。 数字与模拟电源的地线与电源线应该在5V开关电源入线处连接。,该测温装置的电路板布局如图10-7所示,4实验电路板设计例 在运放原理电路设计完成后，总是要实际实验的，因为只有实际实验后，才能确认原理图的正确性。 下面介绍一个热敏电阻传感器KTY81-110的调理电路实验板例子。 KTY81-110在25时的电阻R25在9901010之间，在1mA工作电流时，温度与阻值之间的关系如图10-8所示。,热敏电阻KTY81-110的调理电路如图10-9所示。,
