电路设计

EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的 最新成果,进行电子产品的自动设计。利用EDA工具,可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

EDA常用软件

EDA工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:protel、MentorPADS、OrCAD、Mentor WG、Mentor EN、allegro、EWB、PSPICE、 Synopsys等等。按主要功能或主要应用场合,大致可分为电路设 计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。

电子电路设计与仿真工具

电子电路设计与仿真工具包括:

SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView、Multisim、MMICAD等。下面简单介绍前三个软件。

1)SPICE:由美国加州大学推出的电路分析仿真软件,现在用得较多的是PSPICE6.2,在同类产品中是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真 EDA软件,它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无 论对哪种器件哪些电路进行仿真,都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库。

2)EWB软件:20世纪90年代初推出 的电路仿真软件。相对于其它EDA软件,它是较小巧的软件(只有16M)。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大,几乎100%地仿真出真实电路的结 果,并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观,易学 易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计,但分析功能比PSPICE稍少一些。

3)MATLAB:它的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C++代码等功能。

PCB设计软件

PCB设计软件种类很多,如Protel/AD、OrCAD、Viewlogic、Cadence PSD、Mentor公司的Mentor EN、Mentor WG以及Mentor PADS等系列。常用的PCB设计软件还有Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO等等。

先来说说Mentor旗下几个常用系列工具!

Mentor公司有三个系列的PCB设计工具,分别是:

Mentor EN系列,即Mentor Board Station.
Mentor WG系列,即Mentor Expedition.
还有PADS系列,即PowerPCB.

上面讲到的Mentor PADS,也就是以前的PowerPCB/PowerLogic系列,是低端的PCB软件中最优秀的一款,其界面友好、容易上手、功能强大而深受中小企业的青睐,在中小企业用户占有很大的市场份额。

其他两个系列Mentor EN系列和Mentor WG系列与Cadence Allegro一样,都是目前最高端的PCB软件,像中兴、华为这类大型公司都会使用这些高端的设计软件。

其中,Mentor Expedition(WG系列)是拉线最顺畅的软件,被誉为拉线之王,它的自动布线功能非常强大,布线规则设计非常专业。

Mentor EN系列是从早期UNIX系统移植到Windows系统,也是最专业的PCB工具软件,但其学习难度较大,自学的话会比较吃力。

PADS系列则相对来说比较简单易用且上手快,设计灵活,用户的自由度也非常高,很适合初学者及热衷于自学的群体。

再来说说Altium公司的Protel和AD

Protel/AD也有不少高校用户,它拥有完整的全方位电位设计系统,包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计(包含印刷电 路板自动布局布线),可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器体系结构,同时还 兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

最后来谈谈Cadence Allegro.

Cadence公司拥有Orcad/SPB/PSD等多个系列,三者都是Cadence公司基于capture和allegro的PCB设计套件,区别仅在于软件配置。

Orcad的配置是低端产品,存在价格低的优点,但是在Orcad中Allegro 的功能比较弱,只有各项基本功能而没有constrain manager,如果需要SI或者constrain manager呢,就需要另外的增加配置了。

PSD和SPB其实是同一个东西,PSD是Allegro系统互连设计平台的早期版本,后来新出的版本叫做 SPB,因为改进了设计理念,所以修改了套件包的名称。

由此大家应该明白了,SPB是Allegro最全功能的版本。

衡量一个软件的优劣,其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率,也就是它的普及和流行程度.Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准,被很多大型电子通信类公司采用,因此掌握Cadence Allegro对求职有实质的帮助;另外其学习资源也比较丰富,比较适合自学。

现在Cadence公司的系列产品有:Cadence SPB16.2, Cadence SPB16.0, Cadence SPB 15.7, Cadence SPB15.5, Cadence SPB15.2等。板级电路设计系统。

Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准,其学习资源也比较丰富,比较适合自学。

曾经有人这么评价Cadence:

“Cadence是高速板设计中实际上的工业标准。无论哪一方面都超牛。Cadence PCB Layout工具绝对一流,稍微熟悉一点后就不再想用其他工具了,布线超爽。仿真方面也是非常的牛,有自己的仿真工具,信号完整性仿真,电源完整性仿真都能做。在做pcb高速板方面牢牢占据着霸主地位。要知道这个世界上60%的电脑主板40%的手机主板可都是拿Allegro画的。”

IC设计软件

IC设计工具很多,其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。

1)设计输入工具:像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言,许多设计输入工具都支持HDL。另外像Active—HDL和其它的设计输入方法,包括原理和状态机输入方法,设计 FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具,Modelsim FPGA等。

2)设计仿真工作:EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确,几乎每个公司的EDA 产品都有仿真工具。

Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真,Leapfrog 用于VHDL仿真,Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim门级电路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS— verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

3)综合工具:综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势,它的Design Compile是综合的工业标准,它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。此外,美国还出了一家软件叫Ambit,比Synopsys的软件更有效,可以综合50万门的电路,速度 更快。不过Ambit已被Cadence公司收购,为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。

随着FPGA设计的规模越来越大,各EDA 公司又陆续开发了用于FPGA设计的综合软件,比较有名的有:Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

4)布局和布线:在 IC设计的布局布线工具中,Cadence软件是比较强的,它有很多产品,用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的,后来Cadence把它用来作IC的布线。

其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble—标准单元布线器;Gate Ensemble—门阵列布线器;Design Planner—布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

5)物理验证工具:物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

6)模拟电路仿真器:前面讲的仿真器主要是针对数字电路的,对于模拟电路的仿真工具,普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的 SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中,最好最准的当数HSPICE,作为IC设计,它的模型最 多,仿真的精度也最高。

PLD设计工具

PLD(Programmable Logic Device)是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型:CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借助于EDA软件,用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,最后用编程器或下载电 缆,由目标器件实现。生产PLD的厂家很多,但最有代表性的PLD厂家为ALTERA、Xilinx和Lattice公司。

PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供,但随着器件规模的不断增加,软件的复杂性也随之提高,目前由专门的软件公司与器件生产厂家合作,推出功能强大的设计软件。

PLD(可 编程逻辑器件)是一种可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型电路,只要有数字电路基础,会使用计算机,就可以进行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的开发软件,使工程师可以在几天,甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作,并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术。

PLD生产及开发工具:

1)ALTERA—20世纪90年代以后发展很快,后被英特尔收购。主要产品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其开发工具—MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台,最新又推出了Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段,绑定第三方VHDL综合工具,如:综合软件FPGA Express、Leonard Spectrum,仿真软件ModelSim。

2)XILINX—FPGA的发明者。产品种类较全,主要有:XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的 Vertex—II Pro器件已达到800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说,在欧洲用Xilinx的人多,在亚太地区用ALTERA的人多,在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD 技术的发展方向。

3)Lattice—Vantis Lattice是ISP(In—System Programmability)技术的发明者,ISP技术极大地促进了PLD产品的发展,与ALTERA和XILINX相比,其开发工具比Altera 和Xilinx略逊一筹。中小规模PLD比较有特色,大规模PLD的竞争力还不够强(Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA),1999年推出可编程模拟器件,1999年收购Vantis(原AMD子公司),成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司(原 Lucent微电子部)的FPGA部门。主要产品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。

4)ACTEL—反熔丝(一次性烧写)PLD的领导者,由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快,所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。

5)Quicklogic—专业PLD/FPGA公司,以一次性反熔丝工艺为主,在中国地区销售量不大。

6)Lucent—主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务,在中国地区使用的人很少。

7)ATMEL—已被Microchip收购,中小规模PLD做得不错。ATMEL早年也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子,但在品质上与原厂家还是有一些差距,在高可靠性产品中使用较少,多用在低端产品上。

8)Clear Logic—生产与一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片,这种芯片可将用户的设计一次性固化,不可编程,批量生产时的成本较低。

9)WSI—生产PSD(单片机可编程外围芯片)产品。这是一种特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,并支持ISP(在线编程),集成度高,主要用于配合单片机工作。

其它EDA软件

1)VHDL语言超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware DeseriptionLanguagt,简称VHDL),是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路(Very High Speed Integrated Circuit,简称VHSIC)计划,是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具

2)Veriolg HDL 是Verilog公司推出的硬件描述语言,在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。

3)其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具,在此就不作介绍了。

在文章结束即将结束前,再介绍一下Saber软件!

Saber 是混合信号、混合技术设计与验证工具,在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用。Saber软件在技术、理论及新产品开发方面保 持明显优势,其大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统解决方案,在并在技术方面不断地完善创新。

Saber 的建模工具运用广泛,有可用于电源、机电、磁、热、负载等各种建模工具。Saber也有独特的设计与验证方法:“自顶向下”(Top- Down Design)设计与“自下而上”(Bottom-Up)仿真验证方法。在作了建模方法演示、混合技术设计方法演示、线缆设计(从电气设计到线缆生产)流 程演示后,Johnson演示了单故障模式仿真调试;关键参数与非关键参数的多故障模式仿真调试,显示了Saber仿真器Testify的强大功能。

Saber的典型案例是航空器领域的系统设计,其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都可以通过Saber来完成。

在开关电源设计中,如果有变压器,saber仿真是最好的,变压器模型比较全。saber仿真现在主要问题就是没有教材。不方便学习。

来源:嵌入式ARM

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我们在做电路设计时,三极管和MOS管做开关用时有什么区别?

工作性质:
1、三极管用电流控制,MOS管属于电压控制。
2、成本问题:三极管便宜,MOS管贵。
3、功耗问题:三极管损耗大。
4、驱动能力:MOS管常用于电源开关,以及大电流开关电路。

实际上就是三极管比较便宜,用起来方便,常用在数字电路开关控制。

MOS管用于高频高速电路,大电流场合,以及对基极或漏极控制电流比较敏感的地方。

一般来说低成本场合,普通应用的先考虑用三极管,不行的话再考虑MOS管。

实际上说电流控制慢,电压控制快这种理解是不对的。要真正理解双极晶体管和MOS晶体管的工作方式才能明白。三极管是靠载流子的运动来工作的,以NPN管射极跟随器为例,当基极加不加电压时,基区和发射区组成的pn结为阻止多子(基区为空穴,发射区为电子)的扩散运动,在此pn结处会感应出由发射区指向基区的静电场(即内建电场),当基极外加正电压的指向为基区指向发射区,基极外加电压产生的电场大于内建电场时,基区的载流子(电子)才有可能从基区流向发射区,此电压的最小值即pn结的正向导通电压(工程上一般认为0.7v)。

但此时每个PN结的两侧都会有电荷存在,此时如果集电极-发射极加正电压,在电场作用下,发射区的电子往基区运动(实际上都是电子的反方向运动),由于基区宽度很小,电子很容易越过基区到达集电区,并与此处的PN的空穴复合(靠近集电极),为维持平衡,在正电场的作用下集电区的电子加速外集电极运动,而空穴则于PN结处运动,此过程类似一个雪崩过程。

集电极的电子通过电源回到发射极,这就是晶体管的工作原理。三极管工作时,两个PN结都会感应出电荷,当做开关管处于导通状态时,三极管处于饱和状态,如果这时三极管截止,PN结感应的电荷要恢复到平衡状态,这个过程需要时间。而MOS三极管工作方式不同,没有这个恢复时间,因此可以用作高速开关管。

(1)场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。

(2)场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是既有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称为双极型器件。

(3)有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。

(4)场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

(5)场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点,因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管作整个电子设备的输入级,可以获得一般晶体管很难达到的性能。

(6)场效应管分成结型和绝缘栅型两大类,其控制原理都是一样的。

本文转载自:百度文库(版主:糖悦之果飞)

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现在网络上广为流传的电路设计能力判断方法,可大致分为两类:一类偏向于“玄学”,比如--电路设计的九个层次一文,内容是玄之又玄,能达到其最高九段标准的,地球上可能找不几个人。按此标准修炼,非走火入魔不可。另一类判断标准相比较而言,比较科学些,客观些,也更常见,比如模电设计100条经验一文。这个标准注重于所积累的知识点的多寡,或者说它侧重于数量,而忽视了质量,比如说李敖可以背诵3万多首唐诗,可他写不出“窗前明月光”,这一神来之精笔。受此方法影响,锅内很多研究生为了追求知识点的数量,整天沉迷于看paper,经常听网友说:我一天一篇paper。

相比较而言,下面的设计能力判断标准可能更科学有效,更具有实际意义,有一定的学习方向指导性。

第一级,无法判断阶段。

例如,找到下图所示的电路,元件参数什么都标好了,直接画PCB,焊接,通电若功能正常就结束了。因为这个过程中,没有任何设计动作,所以无从判断。

第二级,设计入门阶段。

这个阶段是根据给定的电路结构,以及相关的参数约束或条件,来设计满足性能指标要求的电路。

比如下图中,电路已确定是同相放大器,给定Av,根据公式确定Rf和Rg两电阻即可。

第三级,具备初级设计能力阶段。

这个阶段是指给定电路结构,根据最终设计指标要求,自己推导参数约束条件和及取舍原则。

比如上图中,要求是用同相放大器设计Av=10的电路。两个电阻如何取比较合适。

第四级,中级电路设计能力阶段。

能够合理的选择所需的电路结构,或能根据指标,合理的修改电路结构,给出满足要求的设计方案。
比如说,只知道所要设计的放大器的gain、PSRR、CMRR等,选择或修改电路结构,使其能完成所有的指标。

第五级,高级电路设计能力阶段。

这个阶段的设计者快成精了,具体表现是能够非常灵活的改进应用、创新发展,顺手拈来的解决问题能力,不拘一格的最大能效的安排能力,电路中每个元件的取值都恰到好处,不愠不火。最终把电路的潜在能力发挥到极致。

(貌似英特儿完全满足这些要求,欧州的很多公司还做不到这一点,所以其电路表现是规规矩矩、普普通通的,而英特尔的很诡异)

附注:不同的行业,可能会有不同的要求,于是表现也不尽相同,所以不可生搬硬套。但是总的看来,不同行业的模拟电路设计总可归结为:电路/系统/工艺/CAD这四大块,只是偏重点不同而已,比如搞分立件设计,工艺要求会弱点。

看完后你现在属于哪个阶段呢?

本文来源于电子发烧友

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大多数时候,出现在教科书中的电路图和设计与我们每天工作中完成的真实电路大相径庭。电路设计并非易事,因为它需要对构成电路部分的每个元件都有充分了解,且实现“完美”设计需要大量实践。但是,当你在电路设计中牢记并应用以下技巧时,它们将有助于使你的电路看起来更专业、能以最佳效率工作、并提高你的专业素养。

1.使用框图

本技巧似乎显而易见,但往往被过分自信的人忽视,他们认为自己已经把要做的活都弄明白了。完全按照你的需要表述电路的方框图对电路的成功设计至关重要。在你开始工作之前,方框图为你提供了一个大纲,它还为将要查看和检查你电路的任何人提供了极好的参考资料。

图1:单张大幅原理图

2.各个击破

在很多情况下,在设计电路时你可能不会单打独斗,所以花时间将设计划分为各功能块,每个块都有定义的接口,就可以实现各个击破的策略;参与电路设计的设计师可以专注于各个块。这些块可以独立地用于你目前正着手的项目,也可以在将来重复用于不同的电路设计。通过这种方法,你可以在事情不顺利的时候轻松排除故障,因为你将能够识别你遇到的麻烦是哪个块引起的。

图2:清晰标记的框图

3.为电路网络命名

的确,对这一步可能会有疑惑,但确保对PCB上的每个网络进行命名并标注每个网络的用途,可在紧要关头,为你提供诸多帮助。当你必须调试或运行模拟时,它也很有用。网络命名可让你在出问题时,知道该在哪下手。请记住:使命名易于识别;使命名对其要传载的意义一目了然。3.为电路网络命名

4.记笔记

谈到电子设计,你的笔记就是你的灵丹妙药。重要的是记录研发过程的每一步,你遇到的每个坑、找到的每个解决方案、以及与你的设计相关的任何其它内容。请务必记下为什么为你的设计选用某些组件、逻辑表的式样、以及设计电路时的任何特殊注意事项。你的笔记有多种用途:

• 通过清楚地记录每一步,你可以“回放”并查看哪里可能出问题、或你可在哪里进行修改以得到更高效的设计。

• 可以使用和交叉引用以前项目的注释,以便更好地理解、实现更好的方案以及激发出与当前工作相关的更多灵感。

• 你可以帮助其他人解决其设计问题,并在以后需要时阅读他们的笔记。

5.文本放置保持一致

如果你指定某些名称或在图表上进行注释,你会发现,再次查看时很难弄清这些文字到底是什么意思。在原理图上放置符号和名称时,请确保与命名过程保持一致。写注释时,不要在电路的一部分横着写,而在所有其它部分竖着写。尽量确保名称之间有一些空白,这样包括你在内的读者就不会感到困惑。注释间不要害怕有空白。实际上,空白有助于减少将图示与书写混在一起引发的混乱。这同样适用于速记命名。如果你要以缩写表述任何内容,请尝试在下面添加解释的“段子”,或确保它们易于识别。

6.流程化

不要削足适履试图将你的示意图(plan)和注释压缩进特定数量的页面。占页多少并不重要;不要苟且你原理图的质量。确保电路设计始终如一。这有助于提高可读性和更好的应用。在电子电路设计方面没有捷径;这完全取决于付出的努力和努力的结果。

图3:“流程化”

7.保留标题

为原理图的每页制作标题、进而提供了每页的更多信息,这会使你受益。除可读性更高外,这样做还可以更轻松地为你的原理图页编制索引。这在调试时会带来益处:当你需要引用电路的某个部分、但又太忙无暇翻遍每一页、只得救助大脑记忆试图找出所需图表的位置时——页索引会帮大忙。

8.使连接器可见

你需要能立即区分所有连接器。最好的选择是在原理图中使用引脚表述连接器。通过简单的连接器识别,你将能够正确地追溯电路,且不会迷失在连接中。选用引脚之所以方便,是因为它将“坚守”其位置。与贴纸(sticker)或颜色不同,引脚能更突出引人注目,而不会在图表和笔记中占用太多空间。

结论

上面提到的技巧肯定会帮助你更好地设计电路;它们将有助于调试、模拟、注释参考等等。如果你记住这些技巧并在设计的所有阶段应用它们,那么你会发现自己在眨眼之间成为电子电路设计的专业人士。

来源:网络,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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降压,一定要用变压器吗?其实不是这样的,除了变压器,电容也是可以降压,今天就带领大家了解一下电容降压!

电容降压的工作原理

利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

例如,在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗,应为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。

敲黑板,下面先说一下什么是无功功率

无功功率是什么?

无功功率是指在具有电抗的交流电路中,电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量,另一部分时间则释放能量,在整个周期内平均功率是零,但能量在电源和电抗元件(电容、电感)之间不停地交换。交换率的最大值即为“无功功率”。单相交流电路中,其值等于电压有效值、电流有效值和电压与电流间相位角的正弦三者之积。单位为Var、KVar

注:记得顺便了解一下:有功功率、视在功率

根据这个特点,我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如,我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联,在接到220V/50Hz的交流电压上,灯泡被点亮,发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA,它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。

同理,我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上,灯泡同样会被点亮,而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此,电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

下图为阻容降压的典型应用,C1为降压电容,R1为断开电源时C1的泄放电阻(注意为了安全,这个电阻必须有,安全永远排第一位),D1为半波整流二极管,D2在市电的负半周为C1提供放电回路,否则电容C1充满电就不工作了,Z1为稳压二极管,C2为滤波电容。输出为稳压二极管Z1的稳定电压值。


在实际应用中,可以用下图代替上图,这里用了Z1正向特性和反向特性,其反向特性(也就是其稳压特性)来稳定电压,其正向特性用来在市电负半周给C1提供放电回路。


在较大电流的应用中,可以用全波整流。如下图:


在小电压全波整流输出时,最大输出电流即为:

容抗:Xc=1/(2πfC)

电流:Ic = U/Xc=2πfCU

采用电容降压时应注意以下几点:

根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容,而不是依据负载的电压和功率。

限流电容必须采用无极性电容,绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。

电容降压不能用于大功率条件,因为不安全。

电容降压不适合动态负载条件。

同样,电容降压不适合容性和感性负载。

当需要直流工作时,尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流。而且要满足恒定负载的条件。

来源:捷多邦PCB

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高速电路设计中耦合电容的重要性

demi的头像

相对于低频电路需要做复杂的电路匹配,高频电路结构相对简单,可简单的结构往往意味着需要考虑更多的问题。拿最常见的AC耦合电容来讲,要么在芯片之间加两颗直连,要么在芯片与连接器之间加两颗。看似简单,但一切都因为高速而不同。

我走的电子开发道路其实和大多数人说的一样,基本的路线为模拟电子(熟练)→数字电路设计(掌握)→单片机(项目开发)→ARM硬件设计(项目开 发)→linux学习→linux驱动学习→ARM&linux底层开发(项目开发)→ARM&linux顶层开发(项目开发)→项目经 理。我现在还在路上折腾,现在将我的教训和心得拿来给大家分享,希望对于新手有借鉴。

嵌入式设计是个庞大的工程,今天就说说硬件电路设计方面的几个注意事项,首先,咱们了解下嵌入式的硬件构架。

我们知道,CPU是这个系统的灵魂,所有的外围配置都与其相关联,这也突出了嵌入式设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中,以下几点需要关注。

第一、电源确定

电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用,甚至更重要:人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定,这就相当于电源系统中各种杂波,我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源,但由于各种因素制约,只是我们的梦想。这个要关注两个方面:

a、电压

嵌入式系统需要各种量级的电源比如常见的5v、3.3v、1.8v等,为尽量减小电源的纹波,在嵌入式系统中使用LDO器件。如果采用DCDC不仅个头大,其纹波也是一个很头疼的问题。

b、电流

嵌入式系统的正常运行不但需要稳定足够的电源,还要有足够的电流(其实就是功率达到要求),因此在选择电源器件的时候需要考虑其负载,我设计时一般留有30%的余量。

如果是多层板,电源部分在layout的时候需电源分割,这时需要注意分割路径,尽量将一定量的电源放置在一起。如果是双面板,则走线宽度需要注意,在板子允许的情况下尽量加宽。合适的退耦电容尽量靠近电源管脚。

第二、 晶振确定

晶振相当于嵌入式系统的心脏,其稳定与否直接关系其运行状态和通讯性能。常见的振有无源晶振,有源晶振,首先要确定其振荡频率,其次要确定晶振类型。

a、无源晶振

其匹配电容和匹配电阻的选择,这部分一般依据参考手册。在单片机设计中,经常使用插件晶振配合瓷片电容。在ARM中,为了减少空间和便于布线,经常使用四角无源晶振配合贴片电容。虽然我们对于固定晶振的匹配电路比较熟悉,但是为了达到万无一失,还是要看参考手册确定电容大小,是否需要匹配电阻等细节。

b、有源晶振

具有更好的更准确的时钟信号,但是相比之下,比无缘晶振价格高,因此这也是在硬件电路设计中需要关注的成本。

在做电路板设计时需要注意晶振走线尽量靠近芯片,关键信号远离时钟走线。在条件允许的情况下增加接地保护环。如果是多层板,也要讲关键信号远离晶振的走线。

第三、 预留测试IO口

在嵌入式调试阶段,在管脚资源丰富的情况下,我通常预留一个IO口连接led或者喇叭,为下一步软件的编写做铺垫。在嵌入式系统运行过程中适当控制该IO接口,从而判断系统是否正常运行。

第四、外扩存储设备

一 个嵌入式系统如果有电源、晶振和CPU,那么这就是我们熟悉的最小系统。如果该嵌入式系统需要运行大点的操作系统,那么不但需要CPU具有MMU,CPU 还需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果该cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器,那么在硬件设计上不用过多的考虑地址线的使用。如果没有相关的控制器,那么需要注意地址线的使用。

这部分在LAYOUT的时候是一个重点,究其原因就是要使相关信号线等长以确保信号的延时相等,时钟和DQS的差分信号线走线。在布线的时候各种布线技巧需要综合使用,例如与cpu对称分布,菊花链布线、T型布线,这都需要依据内存的个数多少来进行选择,一般来说个数越多,布线越复杂,但是知道其关键点,一切迎刃而解。

第五、功能接口

一个嵌入式系统最重要的就是通过各种接口来控制外围模块,达到设计者预设的目的。常用的接口有串口(可用来连接蓝牙,wifi和3G等模块),USB接口、 网络接口、JTAG接口、音视频接口、HDMI接口等等。由于这些接口与外部模块连接,做好电磁兼容设计是重要的一项工作。除此之外,在LAYOUT的时候注意差分线的使用。

第六、屏幕

这个功能之所以单独列出来,是由于其可有可无。如果一个嵌入式系统只是作为一个连接器连接外围设备模块,通过相关接口连接到电脑主机或者直接挂在网络上,那么屏幕就不需要了。但是如果做出来的是一个消费类产品,与用户交互频繁,这就不得不唠叨几句。

电容屏幕是嵌入式屏幕的首选,在电路设计中需要注意触屏连接线和显示屏连接线的布局。在走线的过程中尽量短的靠近主控cpu,同时注意配对信号走差分 线,RGB控制信号走等长。各种信号走线间距遵循3W规则,避免相互干扰。 在屏幕的设计中,一定要确保功率和防止干扰,以防屏幕闪屏和花屏现象的出现。

以上就是我做嵌入式板子设计中的一些经验,有些经验是经过沉痛教训获得的。希望对你有所启发。

本文转自:玩转单片机,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

围观 238

一、总体方案的设计与选择

1. 方案原理的构想

(1) 提出原理方案

一个复杂的系统需要进行原理方案的构思,也就是用什么原理来实现系统要求。因此,应对课题的任务、要求和条件进行仔细的分析与研究,找出其关键问题是什么,然后根据此关键问题提出实现的原理与方法,并画出其原理框图(即提出原理方案)。提出原理方案关系到设计全局,应广泛收集与查阅有关资料,广开思路,开动脑筋,利用已有的各种理论知识,提出尽可能多的方案,以便作出更合理的选择。所提方案必须对关键部分的可行性进行讨论,一般应通过试验加以确认。

(2) 原理方案的比较选择

原理方案提出后,必须对所提出的几种方案进行分析比较。在详细的总体方案尚未完成之前,只能就原理方案的简单与复杂,方案实现的难易程度进行分析比较,并作出初步的选择。如果有两种方案难以敲定,那么可对两种方案都进行后续阶段设计,直到得出两种方案的总体电路图,然后就性能、成本、体积等方面进行分析比较,才能最后确定下来。

2. 总体方案的确定

原理方案选定以后,便可着手进行总体方案的确定,原理方案只着眼于方案的原理,不涉及方案的许多细节,因此,原理方案框图中的每个框图也只是原理性的、粗略的,它可能由一个单元电路构成,亦可能由许多单元电路构成。为了把总体方案确定下来,必须把每一个框图进一步分解成若干个小框,每个小框为一个较简单的单元电路。当然,每个框图不宜分得太细,亦不能分得太粗,太细对选择不同的单元电路或器件带来不利,并使单元电路之间的相互连接复杂化;但太粗将使单元电路本身功能过于复杂,不好进行设计或选择。总之,应从单元电路和单元之间连接的设计与选择出发,恰当地分解框图。

二、单元电路的设计与选择

1. 单元电路结构形式的选择与设计

按已确定的总体方案框图,对各功能框分别设计或选择出满足其要求的单元电路。因此,必须根据系统要求,明确功能框对单元电路的技术要求,必要时应详细拟定出单元电路的性能指标,然后进行单元电路结构形式的选择或设计。

满足功能框要求的单元电路可能不止一个,因此必须进行分析比较,择优选择。

2. 元器件的选择

(1) 元器件选择的一般原则

元器件的品种规格十分繁多,性能、价格和体积各异,而且新品种不断涌现,这就需要我们经常关心元器件信息和新动向,多查阅器件手册和有关的科技资料,尤其要熟悉一些常用的元器件型号、性能和价格,这对单元电路和总体电路设计极为有利。选择什么样的元器件最合适,需要进行分析比较。首先应考虑满足单元电路对元器件性能指标的要求,其次是考虑价格、货源和元器件体积等方面的要求。

(2) 集成电路与分立元件电路的选择问题

随着微电子技术的飞速发展,各种集成电路大量涌现,集成电路的应用越来越广泛。今天,一块集成电路常常就是具有一定功能的单元电路,它的性能、体积、成本、安装调试和维修等方面一般都优于由分立元件构成的单元电路。

优先选用集成电路不等于什么场合都一定要用集成电路。在某些特殊情况,如:在高频、宽频带、高电压、大电流等场合,集成电路往往还不能适应,有时仍需采用分立元件。另外,对一些功能十分简单的电路,往往只需一只三极管或一只二极管就能解决问题,就不必选用集成电路。

(3) 怎样选择集成电路

集成电路的品种很多,总的可分为模拟集成电路、数字集成电路和模数混合集成电路等三大类。按功能分,模拟集成电路有:集成运算放大器、比较器、模拟乘法器、集成功率放大器、集成稳压器,集成函数发生器以及其他专用模拟集成电路等;数字集成电路有:集成门、驱动器、译码器/编码器、数据选择器、触发器、寄存器、计数器、存储器、微处理器、可编程器件等;混合集成电路有:定时器、A/D、D/A转换器、锁相环等。

按集成电路中有源器件的性质又可分为双极型和单极型两种集成电路。同一功能的集成电路可以是双极型的,亦可以是单极型的。双极型与单极型集成电路在性能上的主要差别是:双极型器件工作频率高、功耗大、温度特性差、输入电阻小等,而单极型器件正好相反。至于采用哪一种,这要由单元电路所要求的性能指标来决定。

数字集成电路有:双极型的TTL、ECL和I2L等,单极型的CMOS、NMOS和动态MOS等。选择集成电路的关键因素主要包括性能指标、工作条件、性能价格比等,集成电路选择流程如图14.1.1所示:

图14.1.1集成电路选择的流程

三、单元电路之间的级联设计

各单元电路确定以后,还要认真仔细地考虑他们之间的级联问题,如:电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合,以及相互干扰等问题。

1. 电气性能相互匹配问题

关于单元电路之间电气性能相互匹配的问题主要有:阻抗匹配、线性范围匹配、负载能力匹配、高低电平匹配等。前两个问题是模拟单元电路之间的匹配问题,最后一个问题是数字单元电路之间的匹配问题。而第三个问题(负载能力匹配)是两种电路都必须考虑的问题。从提高放大倍数和负载能力考虑,希望后一级的输入电阻要大,前一级的输出电阻要小,但从改善频率响应角度考虑,则要求后一级的输入电阻要小。

对于线性范围匹配问题,这涉及到前后级单元电路中信号的动态范围。显然,为保证信号不失真地放大则要求后一级单元电路的动态范围大于前级。

负载能力的匹配实际上是前一级单元电路能否正常驱动后一级的问题。这在各级之间均有,但特别突出的是在后一级单元电路中,因为末级电路往往需要驱动执行机构。如果驱动能力不够,则应增加一级功率驱动单元。在模拟电路里,如对驱动能力要求不高,可采用运放构成的电压跟随器,否则需采用功率集成电路,或互补对称输出电路。在数字电路里,则采用达林顿驱动器、单管射极跟随器或单管反向器。电平匹配问题在数字电路中经常遇到。若高低电平不匹配,则不能保证正常的逻辑功能,为此,必须增加电平转换电路。尤其是CMOS集成电路与TTL集成电路之间的连接,当两者的工作电源不同时(如CMOS为+15V,TTL为+5V),此时两者之间必须加电平转换电路。

2. 信号耦合方式

常见的单元电路之间的信号耦合方式有四种:直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。

(1)直接耦合方式

直接耦合是上一级单元电路的输出直接(或通过电阻)与下一级单元电路的输入相连接。这种耦合方式最简单,它可把上一级输出的任何波形的信号(正弦信号和非正弦信号)送到下一级单元电路。但是,这种耦合方式在静态情况下,存在两个单元电路的相互影响。在电路分析与计算时,必须加以考虑。

(2)阻容耦合方式(如图14.1.2所示)

图14.1.2阻容耦合传递脉冲信号

(3)变压器耦合方式

(4)光电耦合方式

光电耦合方式是一种常用的方式,其主要是通过光电信号的转换变成信号的传输,以达到前后级隔离的目的。

3. 时序配合

单元电路之间信号作用的时序在数字系统中是非常重要的。哪个信号作用在前,哪个信号作用在后,以及作用时间长短等,都是根据系统正常工作的要求而决定的。换句话说,一个数字系统有一个固定的时序。时序配合错乱,将导致系统工作失常。

时序配合是一个十分复杂的问题,为确定每个系统所需的时序,必须对该系统中各个单元电路的信号关系进行仔细的分析,画出各信号的波形关系图——时序图,确定出保证系统正常工作下的信号时序,然后提出实现该时序的措施。

四、画出总体电路草图

单元电路和它们之间连接关系确定后,就可以进行总体电路图的绘制。总体电路图是电子电路设计的结晶,是重要的设计文件,它不仅仅是电路安装和电路板制作等工艺设计的主要依据,而且是电路试验和维修时不可缺少的文件。总体电路涉及的方面和问题很多,不可能一次就把它画好,因为尚未通过试验的检验,所以不能算是正式的总体电路图,而只能是一个总体电路草图。

对画出总体电路图的要求是:能清晰公整地反映出电路的组成、工作原理、各部分之间的关系以及各种信号的流向。因此,图纸的布局、图形符号、文字标准等都应规范统一。

五、总体电路试验

由于电子元器件品种繁多且性能分散,电子电路设计与计算中又采用工程估算,再加之设计中要考虑的因素相当多,所以,设计出的电路难免会存在这样或那样的问题,甚至差错。实践是检验设计正确与否的唯一标准,任何一个电子电路都必须通过试验检验,未能经过试验的电子电路不能算是成功的电子电路。通过试验可以发现问题,分析问题,找出解决问题的措施,从而修改和完善电子电路设计。只有通过试验,证明电路性能全部达到设计的要求后,才能画出正式的总体电路图。

电子电路试验应注意以下几点:

1. 审图。电子电路组装前应对总体电路草图全面审查一遍。尽早发现草图中存在的问题,以避免实验中出现过多反复或重大事故。

2. 电子电路组装。一般先在面包板上采用插接方式组装,或在多功能印刷板上采用焊接方式组装。有条件时亦可试制印刷板后焊接组装。

3. 选用合适的试验设备。一般电子电路试验必备的设备有:直流稳压电源、万用表、信号源、双踪示波器等,其他专用测试设备视具体电路要求而定。

4. 试验步骤:先局部,后整体。即先对每个单元电路进行试验,重点是主电路的单元电路试验。可以先易后难,亦可依次进行,视具体情况而定。调整后再逐步扩展到整体电路。只有整体电路调试通过后,才能进行性能指标测试。性能指标测试合格才算试验完结。

六、绘制正式的总体电路图

经过总体电路试验后,可知总体电路的组成是否合理及各单元电路是否合适,各单元电路之间联结按是否正确,元器件参数是否需要调整,是否存在故障隐患,以及解决问题的措施,从而为修改和完善总体电路提供可靠的依据。画正式总体电路应注意的几点与画草图一样,只不过要求更严格,更工整。一切都应按制图标准绘图。

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围观 354

在电源等设备中通常需要做电流检测或反馈,电流检测通常用串联采样电阻在通过放大器放大电阻上的电压的方法,如果要提高检测精度这地方往往要用到比较昂贵的仪表放大器,以为普通运放失调电压比较大。

下面介绍几种巧妙的廉价的电流检测电路,

1. 三极管电流检测电路


如果简单的用三极管导通与截止来检测电流的话,三极管开启要0.7V左右,电流比较小的时候需要串比较大的采用电阻,同时浪费较大的反馈电压,如上图方法,可以用比较小的电阻,消耗很小的电压就能检测到电流I,通过调整三极管基机电阻可以调整检测的灵敏度。这个电路可以用在充电器等需要显示有没有充电电流的地方。

2. 高灵敏度电流检测电路


这个电路用两个二极管做电流采样,灵敏度非常高,电流可以做到动态范围很大,在大功率或高电压应用场合比较合适,缺点是电压需要损坏掉约1.4V。

3. TL431电流反馈电路 

TL431 价格低廉,在开关电源的反馈环路大量应用,但其FB电压为2.5V,直接用做电流反馈时要很大的采样电阻,浪费电压。图中用两个TL431实现电流反馈,可以用比较小的采样电阻实现精密的电流反馈,如果还有电压反馈网络,再并上U3的电压反馈电路。

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