电子电路设计是规划、测试和构建执行特定任务的电路的过程。它涉及定义需求、选择可靠的零件、创建原理图、模拟性能和测试最终设计。通过遵循谨慎的步骤，电路变得安全、高效和可靠。本文提供了有关设计过程每个阶段的详细信息。
电子电路设计概述
电子电路设计是规划和构建可以执行特定任务的电路的过程。它从在面包板上或通过计算机模拟进行小型实验开始，以检查这个想法是否有效。之后，将设计绘制在示意图中，显示每个部分的连接方式。设计被转移到印刷电路板 （PCB） 上，可以生产并组装成工作系统。
此过程通常结合了不同类型的信号。模拟电路处理平滑和连续的信号，而数字电路处理在两种状态之间切换的信号。有时，两者结合在同一设计中，使系统更加完整。
电子电路设计的目标是创造出不仅功能强大而且可靠且可在实际条件下使用的最终产品。精心设计有助于确保电路正常工作、保持稳定并满足安全要求。
对技术规范的要求
| 类别 | 规格示例 |
|---|---|
| 电气 | 输入电压：5–12 V，电流消耗：<1 A，带宽：10 MHz |
| 定时 | 延迟< 50 ns，时钟抖动< 2 ps |
| 环境 | 工作温度为 -40°C 至 +85°C，湿度为 90% |
| 机械 | PCB 尺寸：40 × 40 mm，重量< 20 g |
| 合规 | 必须符合 CE/FCC、EMC B 类 |
| 成本/生产 | BOM 成本 <\$5，装配良率 >95% |
系统架构和框图设计
该框图通过将电子系统分解为相互连接的子系统来说明电子系统的核心结构。电源子系统通过电池、DC-DC 转换器和稳压器提供稳定的能量，为所有其他模块奠定基础。中心是控制子系统，其中包含负责管理数据流和决策的微控制器、FPGA 或处理器。
模拟子系统使用传感器、放大器和滤波器处理真实信号，而数字 I/O 支持通过 USB、SPI、UART、CAN 和以太网等标准与外部设备进行通信。单独的时钟和定时模块可确保与振荡器、PLL 和精确布线同步，以实现低抖动性能。
为了保持可靠性，强调隔离区，使嘈杂的数字信号远离敏感的模拟电路，减少干扰并提高系统稳定性。
电子电路设计中的基本组件
电阻器
这些用于限制和控制电流的流动。通过增加电阻，他们确保电路的敏感部分不会因过大的电流而损坏。
电容器
它充当小型储能设备。它们保持电荷，可以在需要时快速释放。这使得它们可用于稳定电压、滤波信号或提供短时间的电源。
晶体管
它用作开关和放大器。它们可以像受控栅极一样打开或关闭电流，或者使微弱信号更强。晶体管是现代电子产品的一部分，因为它们允许电路处理和控制信息。
二极管
引导电流的方向。它们只允许电流朝一个方向流动，而以另一个方向阻挡它。这可以保护电路免受可能造成损坏的反向电流的影响。
电子电路设计中的元器件研究与选择
性能注意事项
在为电路选择零件时，首先要检查的事情之一就是性能。这意味着查看组件在设计中的行为方式。所需的详细信息包括它增加多少噪声、随着时间的推移的稳定性、使用多少功率以及处理信号的能力。这些因素决定了电路是否会按预期方式工作。
套餐选择
组件的封装是它的构建和大小调整方式。它会影响它在电路板上占用的空间、可以处理的热量以及组装过程中放置的难易程度。较小的包装可以节省空间，而较大的包装则更容易使用并更好地处理热量。选择合适的包装有助于平衡空间、热量和易用性。
可用性和供应链
一个零件工作良好是不够的;它还必须在需要时可用。您应该检查该零件是否可以从多个供应商处购买，以及将来是否仍会生产。这降低了零件突然变得难以找到时延误或重新设计的风险。
合规性和标准
电子产品必须遵守安全和环境规则。零件通常需要满足 RoHS、REACH 或 UL 等标准。这些认证确保该组件使用安全、不危害环境，并且可以在不同地区销售。合规性是选择组件的主要部分。
可靠性和降额
可靠性是指组件在正常使用情况下可以保持工作的时间和效果。为了使零件使用寿命更长， 您应该避免将它们推到最大极限。这种做法称为降额。通过为零件提供安全余量，故障的可能性会降低，整个系统变得更加可靠。
电子电路设计中的电路仿真类型
| 模拟类型 | 电路设计的目的 |
|---|---|
| 直流偏置 | 确认所有设备都在正确的电压和电流点下运行。防止晶体管无意中饱和或切断。 |
| 交流扫描 | 评估频率响应、增益和相位裕度。放大器、滤波器和稳定性分析的基础。 |
| 瞬态 | 分析时域行为，例如开关、启动响应、上升/下降时间和过冲。 |
| 噪声分析 | 预测电路对电噪声的敏感性，并帮助优化低噪声应用的滤波策略。 |
| 蒙特卡洛 | 测试组件公差（电阻器、电容器、晶体管）的统计变化，确保整个制造范围的设计稳健性。 |
| 热 | 估计散热并识别潜在热点，这是电源电路和紧凑型设计所必需的。 |
电路设计中的供电和信号完整性
供电网络 （PDN） 实践
• 星形接地：使用星形连接以最大限度地减少接地环路。这降低了噪声并确保了全面的一致参考电位。
• 短返回路径：始终为电流提供直接和低阻抗返回路径。长环路会增加电感并将噪声注入敏感电路。
• 去耦电容器：将小值去耦电容器放置在尽可能靠近 IC 电源引脚的位置。它们充当局部能量储存器并抑制高频瞬变。
• 大容量电容器：在电源入口附近添加大容量电容器。这些在负载突然变化时稳定供应。
信号完整性 （SI） 注意事项
• 受控阻抗布线：高速走线应以规定的阻抗布线（通常为 50 Ω单端阻抗或 100 Ω差分阻抗）。这可以防止反射和数据错误。
• 接地管理：保持模拟和数字接地分开以避免干扰。将它们连接在一个点上以保持干净的参考平面。
• 减少串扰：保持平行高速线路之间的间距或使用接地防护走线。这最大限度地减少了耦合并保持了信号质量。
• 层叠层：在多层 PCB 中，专用于电源和接地的连续平面。这降低了阻抗并有助于控制 EMI。
电路设计中的PCB布局
组件放置
根据功能和信号流放置组件。将相关部件组合在一起并最大限度地减少走线长度，特别是对于高速或敏感的模拟电路。振荡器或稳压器等基本组件应靠近它们支持的 IC。
信号路由
避免 90° 走线弯曲，以减少阻抗不连续性和潜在的 EMI。对于差分对，例如 USB 或以太网，请保持走线长度匹配以保持时序完整性。将模拟和数字信号分开以防止干扰。
层叠加
平衡和对称的层叠层提高了可制造性，减少了翘曲，并提供了一致的阻抗。专用接地层和电源层可降低噪声并稳定电压传输。
高速注意事项
使用受控阻抗布线高速信号，保持连续的参考平面，并避免短截线或不必要的过孔。保持返回路径短，以最大限度地减少电感并保持信号完整性。
热管理
将热通孔放置在功率器件下方，以将热量传播到内部铜平面或 PCB 的另一侧。对大功率电路使用铜浇注和散热技术。
电路开发中的原理图设计和ERC
原理图设计步骤
• 分层表：将设计分解为逻辑部分，例如电源、模拟和数字子系统。这使复杂的电路井井有条，并使未来的调试或更新更容易。
• 有意义的网络命名：使用描述性网络名称而不是通用标签。清晰的命名可以避免混淆并加快故障排除速度。
• 设计属性：直接在原理图中包括额定电压、电流要求和容差信息。这有助于审查并确保选择具有正确规格的组件。
• 封装同步：在流程早期将组件链接到正确的 PCB 封装。现在，捕获不匹配可以防止 PCB 布局过程中的延迟和代价高昂的返工。
• 初步物料清单 （BOM）：从原理图生成草稿 BOM。这有助于在最终确定设计之前估算成本、检查零件可用性并指导采购计划。
电气规则检查 （ERC） 卫生
• 检测可能导致未定义行为的浮动引脚。
• 标记可能导致功能故障的缩短网络。
• 确保整个设计中的电源和接地连接一致。
电路测试和验证
• 在重要信号和电源轨上添加测试点，以便在调试和生产测试期间轻松进行测量。
• 提供编程和调试标头，如JTAG、SWD或UART，用于在开发过程中加载固件、检查信号和与系统通信。
• 首次为 PCB 供电时使用限流电源。如果出现短路或设计错误，这可以保护组件免受损坏。
• 在一起运行整个系统之前，分别启动并验证每个子系统。这使得隔离和解决问题变得更加容易。
• 将所有测量结果与原始设计规范进行比较。检查热限制、时序性能和电源效率，以确保电路按预期工作。
• 保留详细的启动笔记和测试结果。本文档有助于将来进行修订、故障排除和移交给生产团队。
结论
电子电路设计结合了规划、仿真和测试，以创建可靠的系统。从设置规格到 PCB 布局和验证，每个步骤都确保电路在实际条件下按预期工作。通过应用良好的设计和标准，您可以开发安全、高效和持久的电子解决方案。
常见问题解答
第一季度。电子电路设计用什么软件？
Altium Designer、KiCad、Eagle和OrCAD在原理图和PCB布局中很常见。LTspice、Multisim 和 PSpice 通常用于仿真。
第二季度。接地如何影响电路？
正确的接地可以减少噪音和干扰。接地层、星形接地以及分离模拟和数字接地提高了稳定性。
第三季度。为什么电路中需要热管理？
过多的热量会缩短组件寿命并降低性能。散热器、热通孔、铜浇注和气流有助于控制温度。
第四季度。制作PCB需要哪些文件？
精确的 PCB 制造和组装需要 Gerber 文件、钻孔文件、物料清单 （BOM） 和装配图。
第五季度。如何测试信号完整性？
示波器、时域反射计 （TDR） 和网络分析仪可检查阻抗、串扰和失真。
第 6 季度。什么是可制造性设计 （DFM）？
DFM 意味着通过使用标准封装、遵循 PCB 限制和简化组装来创建易于生产的电路。