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电路设计

电路设计

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【干货】电路设计师指导手册(已更新完毕)

电气控制类 善思惟 2017-02-24 13:19 发表了文章 来自相关话题

下面整理了一份电路设计师指导手册,讲解了五个部分的内容,以供大家参考,共同学习。

第一部分:接地与布线
第二部分:电源返回路径与I/O信号接地
第三部分:板间互连、星形接地及屏蔽
第四部分:安全地以及电线/电缆
第五部分:射频电缆、双绞线与串扰

第一部分:接地与布线
1.1 接地

任何电子或电气电路都有一个基本 查看全部
下面整理了一份电路设计师指导手册,讲解了五个部分的内容,以供大家参考,共同学习。

第一部分:接地与布线
第二部分:电源返回路径与I/O信号接地
第三部分:板间互连、星形接地及屏蔽
第四部分:安全地以及电线/电缆
第五部分:射频电缆、双绞线与串扰

第一部分:接地与布线
1.1 接地

任何电子或电气电路都有一个基本
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三位前辈教你怎样学好模拟电路

电气控制类 甜心宝宝 2017-01-19 10:54 发表了文章 来自相关话题

刚开始学习模拟电路?觉得学的云里雾里的?觉得老师讲的不好?觉得教材烂?好了,别找理由了,学不好应该是没找到方法,分享3位前辈的经验给你,看看前辈们都是怎么成菜鸟变成大牛的。

第一位,资深模拟ic设计工程师,知乎用户Yike,本着强大的责任感来为大家传道授业解惑,让各位看到这篇文字的人学模电的时候少走弯路,有更多的时 查看全部
刚开始学习模拟电路?觉得学的云里雾里的?觉得老师讲的不好?觉得教材烂?好了,别找理由了,学不好应该是没找到方法,分享3位前辈的经验给你,看看前辈们都是怎么成菜鸟变成大牛的。

第一位,资深模拟ic设计工程师,知乎用户Yike,本着强大的责任感来为大家传道授业解惑,让各位看到这篇文字的人学模电的时候少走弯路,有更多的时
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各种“地”—— 各种“GND”

设备硬件类 泰迪的礼物 2016-12-22 11:25 发表了文章 来自相关话题

GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。



电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线.GND就是公共端的意思,也可以说是地,但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地,对于电源来说,它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接,有时候也不需要,视具体情况而定 查看全部
GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。



电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线.GND就是公共端的意思,也可以说是地,但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地,对于电源来说,它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接,有时候也不需要,视具体情况而定
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运算放大及反馈电路设计

设备硬件类 黄金手表 2016-11-18 13:40 发表了文章 来自相关话题

本电路是基于STM32微控制器的精密程控电压源的设计的一部分。该电压源利用STM32的PWM转DAC功能,经过滤波、放大、反馈等电路变换处理后,实现了0~10V精密可控式电压输出,步进值最小0.05V,并在TFT-LCD模块上进行显示。

其中,运算放大及反馈电路是其关键的一部分。运算放大器选用OPA544非轨至轨型 查看全部
本电路是基于STM32微控制器的精密程控电压源的设计的一部分。该电压源利用STM32的PWM转DAC功能,经过滤波、放大、反馈等电路变换处理后,实现了0~10V精密可控式电压输出,步进值最小0.05V,并在TFT-LCD模块上进行显示。

其中,运算放大及反馈电路是其关键的一部分。运算放大器选用OPA544非轨至轨型
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画PCB时这些布线技巧和要领不可少

智能制造类 我是谁 2016-10-12 15:51 发表了文章 来自相关话题

布线是PCB设计过程中技巧最细、限定最高的,即使布了十几年线的工程师也往往觉得自己不会布线,因为看到了形形色色的问题,知道了这根线布了出去就会导致什么恶果,所以,就变的不知道怎么布了。但是高手还是有的,他们有着很理性的知识,同时又带着一些自我创作的情感去布线,布出来的线就颇为美观有艺术感。




下面是一些好的布线 查看全部
布线是PCB设计过程中技巧最细、限定最高的,即使布了十几年线的工程师也往往觉得自己不会布线,因为看到了形形色色的问题,知道了这根线布了出去就会导致什么恶果,所以,就变的不知道怎么布了。但是高手还是有的,他们有着很理性的知识,同时又带着一些自我创作的情感去布线,布出来的线就颇为美观有艺术感。




下面是一些好的布线
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记住这十一条,轻松搞定DC DC电源转换电路设计

电气控制类 chloe 2016-09-26 08:00 发表了文章 来自相关话题

第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V 查看全部
第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V
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【干货】电路设计师指导手册(已更新完毕)

电气控制类 善思惟 2017-02-24 13:19 发表了文章 来自相关话题

下面整理了一份电路设计师指导手册,讲解了五个部分的内容,以供大家参考,共同学习。

第一部分:接地与布线
第二部分:电源返回路径与I/O信号接地
第三部分:板间互连、星形接地及屏蔽
第四部分:安全地以及电线/电缆
第五部分:射频电缆、双绞线与串扰

第一部分:接地与布线
1.1 接地

任何电子或电气电路都有一个基本属性,即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点,这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动,在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。

这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点,此时这个点被称为0V(零伏)轨,而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样,当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时,这些电压的参考点都是0V轨。

而实际地并不等同于0V。基于安全的原因,需要用地线将设备连接到大地,在正常工作中地线是不承载电流的。然而,本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的,包括安全地以及信号与电源返回路径。

电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上,在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感,欧姆定律告诉我们,在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。

一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动,因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线),那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。






图1.1   0V轨沿线的电压。

假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻,A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是:

VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV

VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV

VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV

现在,经过上述深入浅出的介绍后,你可能会说,世界上存在成千上万的电路,它们必定都有0V轨,但它们的工作看起来好得很,因此有什么问题呢?大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别,电流是毫安,因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V,没有人会担心。

这样的回答问题在于,很容易让人忘记0V轨,并认为在所有条件下都是0V,但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是:

● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时;

● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时;

● 最终压降不管值是多少,其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。

什么时候考虑接地

优秀的电路设计师的优秀品质之一是,知道何时需要慎重考虑这些条件,何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于,你作为电路设计师可能不负责电路版图,版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的,不管是分立的布线还是印刷电路板,如果设计要求比较高,设计师就必须在这方面具备一定的知识,并进行有效控制。

这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动,这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话,确保不管这些电流在哪里流动,造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线,因为它们是最被认可的,但问题的实质是普遍性的,适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况,此时的导体阻抗可能会产生问题。

1.1.1 在一个单元内的接地

本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆,因此你可以确定一个“局部”的接地点,比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。

图1.2 典型的单元内部走线机制。

假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路,PCB2包含用于信号处理的微处理器,PCB3包含大电流输出驱动器,比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上,但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。

电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源,为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图,图1.2可以用作说明好坏实践的起点。






1.1.2 机箱地

首先需要注意的是,地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点,这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。

这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。

机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点,即使存在另外一条电流返回路径,机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比,而阻抗又取决于频率。






图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。

这种电流很难预测,而且可能受到结构变化的影响,因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应:可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题,最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。

机箱连接处会受腐蚀的影响,因此单元性能可能随时间推移而劣化,而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地,那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。

但是,当要求射频屏蔽和/或低电感接地时,多点接地也许是必须的。

1.1.3 铝的导电特性

由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料,在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻,因此非常适合用作导电接地端。

遗憾的是,铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化,以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上,它的绝缘性能相当好,以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈,因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。

这种品质的氧化铝的实用结果是,连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性,你必须确保铝板紧密地绑定在一起,最好采用焊接或紧固的方法,后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。

接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4),但如果这种方式不可用的话,可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。






图1.4:到铝材的电气连接。

其它材料

另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材,这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍,因此导电性不是太好,但它具有更好的磁屏蔽属性,并且价格较低。

压铸型锌材也非常流行,因为它重量轻,强度大,并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路),还可以使用其它金属,特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性,并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。

表1.1 几种金属的电导率。

1.1.4 接地环路





机箱单点接地的另外一个理由是,循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”,这是低频磁感应干扰的一个重要来源。

磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz),还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围,如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。





图1.5:接地环路。

楞次定律告诉我们,环路中感应的电动势(EMF)是:

V = -10-8 × A × n × dB/dt

其中A是单位为cm2的环路面积,B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度,n是匝数(单匝环路时n=1)。

举个例子,在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场,它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的),这时感应到的电动势是:

V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t)= -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt= 314 μV peak

磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器),从这个例子可以看出,在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中,特别是音频和精密仪器,这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路,干扰电压将与有害信号一起直接注入进来,并且无法分离。解决这个问题的方法有:

● 通过只在一点接地打开环路
● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项)
● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量
● 减少干扰源,比如使用环形变压器 查看全部
下面整理了一份电路设计师指导手册,讲解了五个部分的内容,以供大家参考,共同学习。

第一部分:接地与布线
第二部分:电源返回路径与I/O信号接地
第三部分:板间互连、星形接地及屏蔽
第四部分:安全地以及电线/电缆
第五部分:射频电缆、双绞线与串扰

第一部分:接地与布线
1.1 接地

任何电子或电气电路都有一个基本属性,即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点,这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动,在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。

这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点,此时这个点被称为0V(零伏)轨,而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样,当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时,这些电压的参考点都是0V轨。

而实际地并不等同于0V。基于安全的原因,需要用地线将设备连接到大地,在正常工作中地线是不承载电流的。然而,本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的,包括安全地以及信号与电源返回路径。

电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上,在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感,欧姆定律告诉我们,在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。

一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动,因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线),那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。

QQ截图20170224131538.png


图1.1   0V轨沿线的电压。

假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻,A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是:

VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV

VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV

VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV

现在,经过上述深入浅出的介绍后,你可能会说,世界上存在成千上万的电路,它们必定都有0V轨,但它们的工作看起来好得很,因此有什么问题呢?大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别,电流是毫安,因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V,没有人会担心。

这样的回答问题在于,很容易让人忘记0V轨,并认为在所有条件下都是0V,但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是:

● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时;

● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时;

● 最终压降不管值是多少,其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。

什么时候考虑接地

优秀的电路设计师的优秀品质之一是,知道何时需要慎重考虑这些条件,何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于,你作为电路设计师可能不负责电路版图,版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的,不管是分立的布线还是印刷电路板,如果设计要求比较高,设计师就必须在这方面具备一定的知识,并进行有效控制。

这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动,这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话,确保不管这些电流在哪里流动,造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线,因为它们是最被认可的,但问题的实质是普遍性的,适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况,此时的导体阻抗可能会产生问题。

1.1.1 在一个单元内的接地

本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆,因此你可以确定一个“局部”的接地点,比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。

图1.2 典型的单元内部走线机制。

假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路,PCB2包含用于信号处理的微处理器,PCB3包含大电流输出驱动器,比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上,但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。

电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源,为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图,图1.2可以用作说明好坏实践的起点。


QQ截图20170224131555.png

1.1.2 机箱地

首先需要注意的是,地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点,这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。

这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。

机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点,即使存在另外一条电流返回路径,机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比,而阻抗又取决于频率。


QQ截图20170224131610.png

图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。

这种电流很难预测,而且可能受到结构变化的影响,因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应:可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题,最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。

机箱连接处会受腐蚀的影响,因此单元性能可能随时间推移而劣化,而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地,那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。

但是,当要求射频屏蔽和/或低电感接地时,多点接地也许是必须的。

1.1.3 铝的导电特性

由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料,在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻,因此非常适合用作导电接地端。

遗憾的是,铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化,以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上,它的绝缘性能相当好,以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈,因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。

这种品质的氧化铝的实用结果是,连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性,你必须确保铝板紧密地绑定在一起,最好采用焊接或紧固的方法,后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。

接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4),但如果这种方式不可用的话,可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。


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图1.4:到铝材的电气连接。

其它材料

另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材,这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍,因此导电性不是太好,但它具有更好的磁屏蔽属性,并且价格较低。

压铸型锌材也非常流行,因为它重量轻,强度大,并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路),还可以使用其它金属,特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性,并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。

表1.1 几种金属的电导率。

1.1.4 接地环路
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机箱单点接地的另外一个理由是,循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”,这是低频磁感应干扰的一个重要来源。

磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz),还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围,如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。

QQ截图20170224131702.png

图1.5:接地环路。

楞次定律告诉我们,环路中感应的电动势(EMF)是:

V = -10-8 × A × n × dB/dt

其中A是单位为cm2的环路面积,B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度,n是匝数(单匝环路时n=1)。

举个例子,在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场,它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的),这时感应到的电动势是:

V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t)= -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt= 314 μV peak

磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器),从这个例子可以看出,在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中,特别是音频和精密仪器,这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路,干扰电压将与有害信号一起直接注入进来,并且无法分离。解决这个问题的方法有:

● 通过只在一点接地打开环路
● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项)
● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量
● 减少干扰源,比如使用环形变压器
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三位前辈教你怎样学好模拟电路

电气控制类 甜心宝宝 2017-01-19 10:54 发表了文章 来自相关话题

刚开始学习模拟电路?觉得学的云里雾里的?觉得老师讲的不好?觉得教材烂?好了,别找理由了,学不好应该是没找到方法,分享3位前辈的经验给你,看看前辈们都是怎么成菜鸟变成大牛的。

第一位,资深模拟ic设计工程师,知乎用户Yike,本着强大的责任感来为大家传道授业解惑,让各位看到这篇文字的人学模电的时候少走弯路,有更多的时间踢球把妹聊天喝酒……

知道各位学业繁重,赶紧进入正题:

我念大学的时候,也觉得模拟电路这门课,学得稀里糊涂的。
特别是在玩过一把CS以后,这种感觉更加明显。

这里先要肯定题主是一个有上进心的好孩子。想把模电学好。
我当年感觉到云里雾里的时候,根本没想过要学好模电。我做的事情,就是跟班里学习好的同学搞好关系。这样等到期末的时候,我就能顺利地借到笔记,高分就很简单了。

所以谈到这里,首先第一步是要明确: 什么样才算”学好“模拟电路。
如果你的诉求是期末拿到高分而已,那么您不用往下看了。出门往右电子科技书屋有历年的考题和课件。平日里该干嘛干嘛。拿星爷的台词说,妞照泡舞照跳。等到期末背一下就行啦。

如果分数不说明问题。那么怎样才算学好模拟电路呢?

问一下自己一个问题: 我学模拟电路可以做什么?

为了设计一个增益为5的放大器吗?

很多年以后,我回顾我自己大学那段时光,终于搞清楚我为什么老是觉得没有学好模拟电路了。答案其实很简单。我感觉自己学了好多东西,但不知道这些东西学来干什么。
不知道各位觉得模电奇奇怪怪的朋友,是不是有类似的感觉。

 模拟电路学来干什么?  

我想回答一下这个问题。这是一个重要的问题。很多人有疑问,现在是一个数字时代,我为什么要学模拟电路。zhihu里面还有一个问题是“模拟电路设计师会不会消失掉”

答案是:不会的。

只要我们还需要跟真实的世界接触,那么我们不可避免地就会需要模拟电路,因此就需要可爱的模拟电路设计师们。

打一个比方。就拿CPU来说好了。CPU处理的都是数字信号。但是它没有办法用数字电路来监控自己的温度。这个接口永远会是一个模拟接口。

CPU需要的工作电压要求很精准。比方说,就是1V。各位想一想,这个1V怎么实现呢? 用数字电路时没有办法实现的。

你在你的手机屏幕上划了一下,你的手机怎么能知道你划了一下呢?

重力感应怎么实现呢?

你离不开模拟电路。模拟电路就好像是你的眼睛,耳朵,还有嘴巴,鼻子,手脚一样。数字电路就好比你的大脑。只要未来的世界不会发展成直接在大脑上接两根线,需要的时候打点儿多巴胺进去,这个世界就需要模拟电路来完成虚拟世界和真实世界的接口。

现在可以说说看,我们是怎么完成这个接口的。

现在假设我们要坐一个电路来sense你手机电池的温度,以免它越来越高,最后在你正在跟妹子聊天的时候爆了。毁容是小,还得花钱重新买一个手机。

负责外围应用的工程师很贴心地给了你一个热敏电阻。电阻的阻值会随着温度的上升而不断减小。他希望你能做一件事儿,就是当温度高过一定值的时候,给一个幅度为3V的数字信号出来,让系统能关掉电池。

我们需要什么东西呢? 首先我们需要一个电源。没有电源,什么东西都没办法工作。

电源需要怎么做呢?直接从电池来拿电或许是个好方法,可是输出电压的幅度有限制,怎么办呢?

有了,做一个local的3V电源吧。电源的要求是什么?内阻越低越好。什么样的电路能够给出一个低的输出内阻呢? 电压-电压反馈运放。

所以第一个需要的block是一个运放。

(题外话: 在分立器件的时代,我们可以买一个运放。

如果题主想做的是芯片级的设计,那么我们需要选取合适的器件,把这个运放做在芯片上面。)

好吧,运放是有了,可是没有基准电压,运放怎么才能输出一个恰好3V的电压呢?
第二个需要的block是一个基准电压源。


(在分立器件时代,我们可以买一个基准电压源,题主如果想做芯片级的设计,那么我们需要在芯片上面做一个基准电压。目前几乎所有的基准电压,都是依靠硅本身的能带来实现的。所以叫做带隙基准。约为1.2V。实现带隙基准的过程,不会是开环实现的,是闭环的过程。需要经行环路分析,稳定性分析,失配分析。)

现在,你把1.2V的电压源得到了,然后做了一个1.2:1.8阻值的电阻作为反馈电阻,使用运放得到了一个3V的电源电压。你使用环路稳定性分析方法分析知道环路是稳定的。算一算电路的输出电阻,知道大概这个电路有多少电流输出能力,能带多少负载。还不错,你觉得。虚短路虚断路的分析方法挺靠谱的。

紧接着就是真正有用的部分了。你需要一个比较器,来把热敏电阻与非热敏电阻的分压与一个基准电压进行比较。那么就用一个比较器吧。

(分立器件时代,你可以买一个比较器,想在单片上做完,那么就自己设计一个比较器吧。自己设计的比较器往往不那么理想。没有全电压输出范围,也没有全电压输出范围。 增益也可能只有60个dB。但是你一看参数要求,够啦,60dB就60dB吧,总比没有好。)

好了。你完成了设计。

以上只是举了一个简单例子。实际遇到的模拟电路系统远比这个小系统复杂的多。市场的要求也越来越变态。谁叫有那么多聪明的人在设计模拟电路呢。
所以设计模拟电路的人,都在呕心沥血。穷其心智去满足各种不合理的要求,达到许多不合理的标准。
不过对题主来说,这些都是后话了。

题主假如希望做模拟设计这方面的工作,那么按照上面所写的这个小小的例子,可以看出来有多少科目需要学么?

1. 电路分析
2. 模拟电路设计基础
3. 信号与系统
4. 反馈理论/补偿理论

如果题主想做的是模拟IC设计,你还需要学习以下科目:

1. 半导体工艺技术
2. 半导体器件原理
3. 概率统计知识
4. 模拟IC设计。

其中,模拟IC设计包括:

1. 小信号分析
2. 放大器的线性建模
3. 基准设计
4. ESD保护
5. 版图设计
6. 寄生效应
6. 失效分析
7. 噪声
8. 振荡器
9. 太TM多的省略号

希望回答能让题主满意,或者帮助更多的年轻EE们。

以上回答是针对模拟集成电路设计的,下面这位知乎用户Tariel重点关注针对信号链设计:

(下面的内容主要针对信号链设计, 即已知应用需求, 在与现实世界的接口(传感器/执行器)、信号调理电路/执行器驱动电路、ADC、数字域器件之间分配指标, 并对模拟部分进行设计的过程.)

首先跟大家灌点儿心灵鸡汤: 怎样不去学模拟电路.

1. 有经济压力的不要去学模拟电路, 尤其是有在京沪穗等一线城市还房贷压力的. 虽然模拟电路听起来很高洋上, 被大家认为是黑科技, 但是这一行市场实在过小, 分得也太细, 指望它赚钱, 随机性太大; 而且在这一行里, 频繁跳槽其实对水平的提高不利. 所以如果有经济压力, 请考虑尽早转向目前风险最低的劳动致富方法——当码农. 当然如果能承担得起创业风险, 参与到目前很火的智能硬件行业里去也是不错的.

2. 没兴趣的不要去学模拟电路. 搞模拟电路需要大量的时间和持续的心情, 如果对这项工作没有兴趣, 并且也自我感觉培养不出兴趣的话, 也是尽早改行为佳, 因为如果没有兴趣, 不去思考, 脑袋里面留下的东西只会越来越芜杂, 对工作的提高并无帮助.

3. 不会动手, 或者不想动手的不要去学模拟电路. 搞数字电路的时候, 设计工程师可以只画原理图, 把下游的东西(布局布线乃至工艺上的事情)都扔给别人, 但是搞模拟电路要求设计工程师必须亲自动手搭建原型、诊断故障, 大部分情况下只靠仿真是不够的. 所以如果不知道烙铁拿哪头, 或者怕拿烙铁, 或者不屑于拿烙铁, 请尽早改行; 如果焊出来的东西跟豆腐渣一样的话, 在排除烙铁故障和使用了劣质焊锡的情况之后, 也请尽早改行.

4. 脑袋不好使, 逻辑能力不够的; 或者脑袋有跑偏倾向的, 不要去学模拟电路. 当然如果脑袋不好使, 那么不光模拟电路, 数字电路也搞不好, 写码也写不好, 其他工程技术工作应该也干不好, 还是趁早别当工程师了比较好. 至于脑袋有没有跑偏倾向, 可以用 @Chris Xia 的语言学民科偏见大全来自测——因为语言是大家从小每天接触的东西, 你在"自发的语言研究"上脑子跑得越偏, 进入专业领域之后脑子跑偏的倾向也越大. 如果看了刚才那个膝盖中箭数过多, 并且看完之后还坚持自己的偏见, 那么可以考虑先吃点被门夹过的核桃补补脑.

5. 有把工作台收拾得特别整洁的癖好的, 不适合搞模拟电路. 这一点不展开说了, 贴一张图(Jim Williams主编的书 Analog Circuit Design: Art, Science and Personalities 的封面):

如果面对这样的工作台有不适感, 那么也趁早改行为好. 当然跟前面几点相比, 这一点是比较容易克服的...

喝完了心灵鸡汤, 大家活着的还有多少? 恭喜活着看到了这儿的同学, 我是不是可以认为你们已经有了学好模拟电路, 并以此作为爱好或职业的觉悟? 那么我们就回到正题——怎样学好模拟电路.

不完全地总结一下, 模拟电路设计大概有这么几个不同于其他工程设计领域, 尤其是不同于数字电路设计的特点:

1. 模拟电路处理的量来自现实世界, 因此模拟电路的输入中, 既包含与设计相关的信号, 也包含与设计不相关的信号. 比如设计一个心电图机, 电极采集进来的除了需要处理的心电信号本身, 还包含电极的极化电位(直流), 从电源感应来的50Hz干扰等等, 而这些不相关的信号往往要比需要处理的信号强很多. 因此, 攻城狮需要分析信号的特点(如心电信号、极化电位、50Hz干扰所占的频率范围不同; 50Hz干扰属于共模信号, 而心电信号属于差分信号等), 并设计相应的电路, 来提取出需要处理的信号, 抑制与设计不相关的信号(比如设计合适的滤波器滤除带外干扰, 用差分输入的仪表放大器消除共模干扰等).

2. 理论分析和仿真时忽略的因素, 在实际的电路中可能产生很大的影响, 甚至是决定性的影响.电路原理图只能反映元器件之间的连接情况, 是拓扑的; 而实际的电路是物理的. 这也是课本上讲的内容和实际的电路的最大差别. 举例来说, 任务要求攻城狮设计一个220V转5V的开关电源, OK, 很多半导体厂家都有用于隔离开关电源的控制器, 只要看数据手册里面给的参考设计, 根据计算更改几个反馈元件的量值, 是不是就可以了呢? 这样做出来的东西, 倒是大都可以工作; 但是也只是可以工作——事实上印制板布图的不同, 能够严重影响输出纹波的大小. 甚至在很多情况下(如进行射频设计时), 印制板的分布参数也会作为电路中的元件使用.

3. 模拟电路设计中充满着技术指标、功耗、成本等各种约束, 而这些约束往往不能同时满足, 甚至会互相冲突. 比如设计便携式心电图机时, 考虑到对功耗的严格限制和直接使用系统提供的电源的方便性, 会倾向于使用低压单电源供电; 而考虑到共模抑制比和动态范围的要求, 又会倾向于使用双电源供电. 在这些约束之间妥协和折衷并作出取舍, 贯穿整个设计的始终.

那么想要从事模拟电路设计, 需要做些什么呢? 下面是一个不完全的列表(详细内容待补充):

1. 通晓电路分析的方法, 掌握至少一种仿真软件的使用方法.

2. 掌握阅读元器件数据手册的方法.

3. 多动手实验.

4. 及时整理自己获得的结果, 尤其是负面结果.

5. 掌握设计电源的技能.

6. 了解热设计的内容.

7. 关于排故技能.

以上两位还不够么,再来一个,这位知乎用户李瑄给你推荐了一个很好用的免费小软件:强烈的兴趣将是你模拟电路学习之路的不灭动力。业余无线电?音频功放?仪器工具发烧友?…许多大师都是从小时候的业余爱好中,爱上模拟设计的。

模拟电路设计 = 
系统设计(精髓是反馈)
+电路分析(数学方法的图形化理解)
+有源/无源器件各种特性的利用(了解器件的各项实际特性)

具体到学习上:
1、U-I这类图解法的娴熟应用,结合各种器件的特性曲线,对电路的理解有极大帮助,促进直观理解。
2、叠加原理、戴维宁等效这些方法多去尝试使用。
(上面2条其实都需要一个良好的电路分析的基础)

3、不要记太多公式,注意合理近似和直观理解公式的意义。
4、模拟设计的精华——反馈,好好吃透,积累技巧,建议用纯晶体管制作AGC电路、稳压电源以便加深理解。
5、这是一门工程学科,需要大量的实践,以纠正自己理解上的偏颇。
 
 
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刚开始学习模拟电路?觉得学的云里雾里的?觉得老师讲的不好?觉得教材烂?好了,别找理由了,学不好应该是没找到方法,分享3位前辈的经验给你,看看前辈们都是怎么成菜鸟变成大牛的。

第一位,资深模拟ic设计工程师,知乎用户Yike,本着强大的责任感来为大家传道授业解惑,让各位看到这篇文字的人学模电的时候少走弯路,有更多的时间踢球把妹聊天喝酒……

知道各位学业繁重,赶紧进入正题:

我念大学的时候,也觉得模拟电路这门课,学得稀里糊涂的。
特别是在玩过一把CS以后,这种感觉更加明显。

这里先要肯定题主是一个有上进心的好孩子。想把模电学好。
我当年感觉到云里雾里的时候,根本没想过要学好模电。我做的事情,就是跟班里学习好的同学搞好关系。这样等到期末的时候,我就能顺利地借到笔记,高分就很简单了。

所以谈到这里,首先第一步是要明确: 什么样才算”学好“模拟电路。
如果你的诉求是期末拿到高分而已,那么您不用往下看了。出门往右电子科技书屋有历年的考题和课件。平日里该干嘛干嘛。拿星爷的台词说,妞照泡舞照跳。等到期末背一下就行啦。

如果分数不说明问题。那么怎样才算学好模拟电路呢?

问一下自己一个问题: 我学模拟电路可以做什么?

为了设计一个增益为5的放大器吗?

很多年以后,我回顾我自己大学那段时光,终于搞清楚我为什么老是觉得没有学好模拟电路了。答案其实很简单。我感觉自己学了好多东西,但不知道这些东西学来干什么。
不知道各位觉得模电奇奇怪怪的朋友,是不是有类似的感觉。

 模拟电路学来干什么?  

我想回答一下这个问题。这是一个重要的问题。很多人有疑问,现在是一个数字时代,我为什么要学模拟电路。zhihu里面还有一个问题是“模拟电路设计师会不会消失掉”

答案是:不会的。

只要我们还需要跟真实的世界接触,那么我们不可避免地就会需要模拟电路,因此就需要可爱的模拟电路设计师们。

打一个比方。就拿CPU来说好了。CPU处理的都是数字信号。但是它没有办法用数字电路来监控自己的温度。这个接口永远会是一个模拟接口。

CPU需要的工作电压要求很精准。比方说,就是1V。各位想一想,这个1V怎么实现呢? 用数字电路时没有办法实现的。

你在你的手机屏幕上划了一下,你的手机怎么能知道你划了一下呢?

重力感应怎么实现呢?

你离不开模拟电路。模拟电路就好像是你的眼睛,耳朵,还有嘴巴,鼻子,手脚一样。数字电路就好比你的大脑。只要未来的世界不会发展成直接在大脑上接两根线,需要的时候打点儿多巴胺进去,这个世界就需要模拟电路来完成虚拟世界和真实世界的接口。

现在可以说说看,我们是怎么完成这个接口的。

现在假设我们要坐一个电路来sense你手机电池的温度,以免它越来越高,最后在你正在跟妹子聊天的时候爆了。毁容是小,还得花钱重新买一个手机。

负责外围应用的工程师很贴心地给了你一个热敏电阻。电阻的阻值会随着温度的上升而不断减小。他希望你能做一件事儿,就是当温度高过一定值的时候,给一个幅度为3V的数字信号出来,让系统能关掉电池。

我们需要什么东西呢? 首先我们需要一个电源。没有电源,什么东西都没办法工作。

电源需要怎么做呢?直接从电池来拿电或许是个好方法,可是输出电压的幅度有限制,怎么办呢?

有了,做一个local的3V电源吧。电源的要求是什么?内阻越低越好。什么样的电路能够给出一个低的输出内阻呢? 电压-电压反馈运放。

所以第一个需要的block是一个运放。

(题外话: 在分立器件的时代,我们可以买一个运放。

如果题主想做的是芯片级的设计,那么我们需要选取合适的器件,把这个运放做在芯片上面。)

好吧,运放是有了,可是没有基准电压,运放怎么才能输出一个恰好3V的电压呢?
第二个需要的block是一个基准电压源。


(在分立器件时代,我们可以买一个基准电压源,题主如果想做芯片级的设计,那么我们需要在芯片上面做一个基准电压。目前几乎所有的基准电压,都是依靠硅本身的能带来实现的。所以叫做带隙基准。约为1.2V。实现带隙基准的过程,不会是开环实现的,是闭环的过程。需要经行环路分析,稳定性分析,失配分析。)

现在,你把1.2V的电压源得到了,然后做了一个1.2:1.8阻值的电阻作为反馈电阻,使用运放得到了一个3V的电源电压。你使用环路稳定性分析方法分析知道环路是稳定的。算一算电路的输出电阻,知道大概这个电路有多少电流输出能力,能带多少负载。还不错,你觉得。虚短路虚断路的分析方法挺靠谱的。

紧接着就是真正有用的部分了。你需要一个比较器,来把热敏电阻与非热敏电阻的分压与一个基准电压进行比较。那么就用一个比较器吧。

(分立器件时代,你可以买一个比较器,想在单片上做完,那么就自己设计一个比较器吧。自己设计的比较器往往不那么理想。没有全电压输出范围,也没有全电压输出范围。 增益也可能只有60个dB。但是你一看参数要求,够啦,60dB就60dB吧,总比没有好。)

好了。你完成了设计。

以上只是举了一个简单例子。实际遇到的模拟电路系统远比这个小系统复杂的多。市场的要求也越来越变态。谁叫有那么多聪明的人在设计模拟电路呢。
所以设计模拟电路的人,都在呕心沥血。穷其心智去满足各种不合理的要求,达到许多不合理的标准。
不过对题主来说,这些都是后话了。

题主假如希望做模拟设计这方面的工作,那么按照上面所写的这个小小的例子,可以看出来有多少科目需要学么?

1. 电路分析
2. 模拟电路设计基础
3. 信号与系统
4. 反馈理论/补偿理论

如果题主想做的是模拟IC设计,你还需要学习以下科目:

1. 半导体工艺技术
2. 半导体器件原理
3. 概率统计知识
4. 模拟IC设计。

其中,模拟IC设计包括:

1. 小信号分析
2. 放大器的线性建模
3. 基准设计
4. ESD保护
5. 版图设计
6. 寄生效应
6. 失效分析
7. 噪声
8. 振荡器
9. 太TM多的省略号

希望回答能让题主满意,或者帮助更多的年轻EE们。

以上回答是针对模拟集成电路设计的,下面这位知乎用户Tariel重点关注针对信号链设计:

(下面的内容主要针对信号链设计, 即已知应用需求, 在与现实世界的接口(传感器/执行器)、信号调理电路/执行器驱动电路、ADC、数字域器件之间分配指标, 并对模拟部分进行设计的过程.)

首先跟大家灌点儿心灵鸡汤: 怎样不去学模拟电路.

1. 有经济压力的不要去学模拟电路, 尤其是有在京沪穗等一线城市还房贷压力的. 虽然模拟电路听起来很高洋上, 被大家认为是黑科技, 但是这一行市场实在过小, 分得也太细, 指望它赚钱, 随机性太大; 而且在这一行里, 频繁跳槽其实对水平的提高不利. 所以如果有经济压力, 请考虑尽早转向目前风险最低的劳动致富方法——当码农. 当然如果能承担得起创业风险, 参与到目前很火的智能硬件行业里去也是不错的.

2. 没兴趣的不要去学模拟电路. 搞模拟电路需要大量的时间和持续的心情, 如果对这项工作没有兴趣, 并且也自我感觉培养不出兴趣的话, 也是尽早改行为佳, 因为如果没有兴趣, 不去思考, 脑袋里面留下的东西只会越来越芜杂, 对工作的提高并无帮助.

3. 不会动手, 或者不想动手的不要去学模拟电路. 搞数字电路的时候, 设计工程师可以只画原理图, 把下游的东西(布局布线乃至工艺上的事情)都扔给别人, 但是搞模拟电路要求设计工程师必须亲自动手搭建原型、诊断故障, 大部分情况下只靠仿真是不够的. 所以如果不知道烙铁拿哪头, 或者怕拿烙铁, 或者不屑于拿烙铁, 请尽早改行; 如果焊出来的东西跟豆腐渣一样的话, 在排除烙铁故障和使用了劣质焊锡的情况之后, 也请尽早改行.

4. 脑袋不好使, 逻辑能力不够的; 或者脑袋有跑偏倾向的, 不要去学模拟电路. 当然如果脑袋不好使, 那么不光模拟电路, 数字电路也搞不好, 写码也写不好, 其他工程技术工作应该也干不好, 还是趁早别当工程师了比较好. 至于脑袋有没有跑偏倾向, 可以用 @Chris Xia 的语言学民科偏见大全来自测——因为语言是大家从小每天接触的东西, 你在"自发的语言研究"上脑子跑得越偏, 进入专业领域之后脑子跑偏的倾向也越大. 如果看了刚才那个膝盖中箭数过多, 并且看完之后还坚持自己的偏见, 那么可以考虑先吃点被门夹过的核桃补补脑.

5. 有把工作台收拾得特别整洁的癖好的, 不适合搞模拟电路. 这一点不展开说了, 贴一张图(Jim Williams主编的书 Analog Circuit Design: Art, Science and Personalities 的封面):

如果面对这样的工作台有不适感, 那么也趁早改行为好. 当然跟前面几点相比, 这一点是比较容易克服的...

喝完了心灵鸡汤, 大家活着的还有多少? 恭喜活着看到了这儿的同学, 我是不是可以认为你们已经有了学好模拟电路, 并以此作为爱好或职业的觉悟? 那么我们就回到正题——怎样学好模拟电路.

不完全地总结一下, 模拟电路设计大概有这么几个不同于其他工程设计领域, 尤其是不同于数字电路设计的特点:

1. 模拟电路处理的量来自现实世界, 因此模拟电路的输入中, 既包含与设计相关的信号, 也包含与设计不相关的信号. 比如设计一个心电图机, 电极采集进来的除了需要处理的心电信号本身, 还包含电极的极化电位(直流), 从电源感应来的50Hz干扰等等, 而这些不相关的信号往往要比需要处理的信号强很多. 因此, 攻城狮需要分析信号的特点(如心电信号、极化电位、50Hz干扰所占的频率范围不同; 50Hz干扰属于共模信号, 而心电信号属于差分信号等), 并设计相应的电路, 来提取出需要处理的信号, 抑制与设计不相关的信号(比如设计合适的滤波器滤除带外干扰, 用差分输入的仪表放大器消除共模干扰等).

2. 理论分析和仿真时忽略的因素, 在实际的电路中可能产生很大的影响, 甚至是决定性的影响.电路原理图只能反映元器件之间的连接情况, 是拓扑的; 而实际的电路是物理的. 这也是课本上讲的内容和实际的电路的最大差别. 举例来说, 任务要求攻城狮设计一个220V转5V的开关电源, OK, 很多半导体厂家都有用于隔离开关电源的控制器, 只要看数据手册里面给的参考设计, 根据计算更改几个反馈元件的量值, 是不是就可以了呢? 这样做出来的东西, 倒是大都可以工作; 但是也只是可以工作——事实上印制板布图的不同, 能够严重影响输出纹波的大小. 甚至在很多情况下(如进行射频设计时), 印制板的分布参数也会作为电路中的元件使用.

3. 模拟电路设计中充满着技术指标、功耗、成本等各种约束, 而这些约束往往不能同时满足, 甚至会互相冲突. 比如设计便携式心电图机时, 考虑到对功耗的严格限制和直接使用系统提供的电源的方便性, 会倾向于使用低压单电源供电; 而考虑到共模抑制比和动态范围的要求, 又会倾向于使用双电源供电. 在这些约束之间妥协和折衷并作出取舍, 贯穿整个设计的始终.

那么想要从事模拟电路设计, 需要做些什么呢? 下面是一个不完全的列表(详细内容待补充):

1. 通晓电路分析的方法, 掌握至少一种仿真软件的使用方法.

2. 掌握阅读元器件数据手册的方法.

3. 多动手实验.

4. 及时整理自己获得的结果, 尤其是负面结果.

5. 掌握设计电源的技能.

6. 了解热设计的内容.

7. 关于排故技能.

以上两位还不够么,再来一个,这位知乎用户李瑄给你推荐了一个很好用的免费小软件:强烈的兴趣将是你模拟电路学习之路的不灭动力。业余无线电?音频功放?仪器工具发烧友?…许多大师都是从小时候的业余爱好中,爱上模拟设计的。

模拟电路设计 = 
系统设计(精髓是反馈)
+电路分析(数学方法的图形化理解)
+有源/无源器件各种特性的利用(了解器件的各项实际特性)

具体到学习上:
1、U-I这类图解法的娴熟应用,结合各种器件的特性曲线,对电路的理解有极大帮助,促进直观理解。
2、叠加原理、戴维宁等效这些方法多去尝试使用。
(上面2条其实都需要一个良好的电路分析的基础)

3、不要记太多公式,注意合理近似和直观理解公式的意义。
4、模拟设计的精华——反馈,好好吃透,积累技巧,建议用纯晶体管制作AGC电路、稳压电源以便加深理解。
5、这是一门工程学科,需要大量的实践,以纠正自己理解上的偏颇。
 
 
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各种“地”—— 各种“GND”

设备硬件类 泰迪的礼物 2016-12-22 11:25 发表了文章 来自相关话题

GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。






电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线.GND就是公共端的意思,也可以说是地,但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地,对于电源来说,它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接,有时候也不需要,视具体情况而定。

设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。

单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。

多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用多点接地。

浮地,即该电路的地与大地无导体连接。虚地:没有接地,却和地等电位的点。

其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

“地”是电子技术中一个很重要的概念。由于“地”的分类与作用有多种, 容易混淆,故总结一下“地”的概念。
“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地,两者概念不同,目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

一: 信号“地”又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共端 。
(1) 直流地:直流电路“地”,零电位参考点。
(2) 交流地:交流电的零线。应与地线区别开。
(3) 功率地:大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。
(4) 模拟地:放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。
(5) 数字地:也叫逻辑地,是数字电路的零电位参考点。
(6) “热地”:开关电源无需使用工频变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,即所谓的“热地”,它是带电的。
(7) “冷地”:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合器,既能传送反馈信号,又将双方的“地”隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。

信号接地
设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。(这里主要介绍浮地)单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用
多点接地。浮地,即该电路的地与大地无导体连接。『 虚地:没有接地,却和地等电位的点。』其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻,用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗,太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。

1:浮地技术的应用
a交流电源地与直流电源地分开
一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流,导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外,交流电源的零线上往往存在很多干扰,如果交流电源地与直流电源地不分开,将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此,采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术,可以隔离来自交流电源地线的干扰。
b 放大器的浮地技术
对于放大器而言,特别是微小输入信号和高增益的放大器,在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此,采用放大器的浮地技术,可以阻断干扰信号的进入,提高放大器的电磁兼容能力。
c 浮地技术的注意事项
1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻,从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。
2)注意浮地系统对地存在的寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。
3)浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用,才能收到更好的预期效果。
4)采用浮地技术时,应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。
2:混合接地
混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性,这在宽带敏感电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两模块之间的地环路形成。当将直流地和射频地分开时,将每个子系统的直流地通过10~100nF的电容器接到射频地上,这两种地应在一点有低阻抗连接起来,连接点应选在最高翻转速度(di/dt)信号存在的点。

二: 设备接大地
在工程实践中,除认真考虑设备内部的信号接地外,通常还将设备的信号地,机壳与大地连在一起,以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是
1)保护地,保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接。 为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器外壳,另一端与大地作可靠连接。
2)防静电接地,泄放机箱上所积累的电荷,避免电荷积累使机箱电位升高,造成电路工作的不稳定。
3)屏蔽地,避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作的不稳定。

此外还有防雷接地和音响中的音频专用地等等。
 
 
 
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GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。

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电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线.GND就是公共端的意思,也可以说是地,但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地,对于电源来说,它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接,有时候也不需要,视具体情况而定。

设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。

单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。

多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用多点接地。

浮地,即该电路的地与大地无导体连接。虚地:没有接地,却和地等电位的点。

其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

“地”是电子技术中一个很重要的概念。由于“地”的分类与作用有多种, 容易混淆,故总结一下“地”的概念。
“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地,两者概念不同,目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

一: 信号“地”又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共端 。
(1) 直流地:直流电路“地”,零电位参考点。
(2) 交流地:交流电的零线。应与地线区别开。
(3) 功率地:大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。
(4) 模拟地:放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。
(5) 数字地:也叫逻辑地,是数字电路的零电位参考点。
(6) “热地”:开关电源无需使用工频变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,即所谓的“热地”,它是带电的。
(7) “冷地”:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合器,既能传送反馈信号,又将双方的“地”隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。

信号接地
设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。(这里主要介绍浮地)单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用
多点接地。浮地,即该电路的地与大地无导体连接。『 虚地:没有接地,却和地等电位的点。』其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻,用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗,太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。

1:浮地技术的应用
a交流电源地与直流电源地分开
一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流,导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外,交流电源的零线上往往存在很多干扰,如果交流电源地与直流电源地不分开,将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此,采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术,可以隔离来自交流电源地线的干扰。
b 放大器的浮地技术
对于放大器而言,特别是微小输入信号和高增益的放大器,在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此,采用放大器的浮地技术,可以阻断干扰信号的进入,提高放大器的电磁兼容能力。
c 浮地技术的注意事项
1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻,从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。
2)注意浮地系统对地存在的寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。
3)浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用,才能收到更好的预期效果。
4)采用浮地技术时,应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。
2:混合接地
混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性,这在宽带敏感电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两模块之间的地环路形成。当将直流地和射频地分开时,将每个子系统的直流地通过10~100nF的电容器接到射频地上,这两种地应在一点有低阻抗连接起来,连接点应选在最高翻转速度(di/dt)信号存在的点。

二: 设备接大地
在工程实践中,除认真考虑设备内部的信号接地外,通常还将设备的信号地,机壳与大地连在一起,以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是
1)保护地,保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接。 为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器外壳,另一端与大地作可靠连接。
2)防静电接地,泄放机箱上所积累的电荷,避免电荷积累使机箱电位升高,造成电路工作的不稳定。
3)屏蔽地,避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作的不稳定。

此外还有防雷接地和音响中的音频专用地等等。
 
 
 
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运算放大及反馈电路设计

设备硬件类 黄金手表 2016-11-18 13:40 发表了文章 来自相关话题

本电路是基于STM32微控制器的精密程控电压源的设计的一部分。该电压源利用STM32的PWM转DAC功能,经过滤波、放大、反馈等电路变换处理后,实现了0~10V精密可控式电压输出,步进值最小0.05V,并在TFT-LCD模块上进行显示。

其中,运算放大及反馈电路是其关键的一部分。运算放大器选用OPA544非轨至轨型放大器,输出要得到10V最大电压,须在其V+ 端接 +12V的正电压;要得到 0V最小电压,须在其 V- 端接 -5V的负电压。为了消除由STM32芯片内部导致的DAC输出最低200 mV的影响,在放大器的正相端接一个由电压比较器LMV358构成的补偿电路,其补偿值VREF_0V2由两个精密电阻R13和R14分压得到,根据虚短和虚断原理可得等式(1):
 
(1)将R4、R5、R6、R8以及VREF_0V2的值代入上式,得到式(2):

(2)当VDAC输出为0.2V时,电源输出电压VOUT = 0V,从而避免了STM32的DAC最小输出200mV的限制。输出电压再由两个精密电阻R9和R10分压后作为反馈送回STM32的ADC1通道进行采样,以实现电源电压的自适应调整。
 
 
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本电路是基于STM32微控制器的精密程控电压源的设计的一部分。该电压源利用STM32的PWM转DAC功能,经过滤波、放大、反馈等电路变换处理后,实现了0~10V精密可控式电压输出,步进值最小0.05V,并在TFT-LCD模块上进行显示。

其中,运算放大及反馈电路是其关键的一部分。运算放大器选用OPA544非轨至轨型放大器,输出要得到10V最大电压,须在其V+ 端接 +12V的正电压;要得到 0V最小电压,须在其 V- 端接 -5V的负电压。为了消除由STM32芯片内部导致的DAC输出最低200 mV的影响,在放大器的正相端接一个由电压比较器LMV358构成的补偿电路,其补偿值VREF_0V2由两个精密电阻R13和R14分压得到,根据虚短和虚断原理可得等式(1):
 
(1)将R4、R5、R6、R8以及VREF_0V2的值代入上式,得到式(2):

(2)当VDAC输出为0.2V时,电源输出电压VOUT = 0V,从而避免了STM32的DAC最小输出200mV的限制。输出电压再由两个精密电阻R9和R10分压后作为反馈送回STM32的ADC1通道进行采样,以实现电源电压的自适应调整。
 
 
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画PCB时这些布线技巧和要领不可少

智能制造类 我是谁 2016-10-12 15:51 发表了文章 来自相关话题

布线是PCB设计过程中技巧最细、限定最高的,即使布了十几年线的工程师也往往觉得自己不会布线,因为看到了形形色色的问题,知道了这根线布了出去就会导致什么恶果,所以,就变的不知道怎么布了。但是高手还是有的,他们有着很理性的知识,同时又带着一些自我创作的情感去布线,布出来的线就颇为美观有艺术感。







下面是一些好的布线技巧和要领:

首先,先对做个基础介绍,PCB的层数可以分为单层,双层和多层的,单层现在基本淘汰了。双层板现在音响系统中用的挺多,一般是作为功放粗狂型的板子,多层板就是指4层及4层以上的板,对于元器件的密度要求不高的一般来讲4层就足够了。从过孔的角度可以分成通孔,盲孔,和埋孔。通孔就是一个孔是从顶层直接通到底层的;盲孔是从顶层或底层的孔穿到中间层,然后就不继续穿了,这个好处就是这个过孔的位置不是从头堵到尾的,其他层在这个过孔的位置上还是可以走线的;埋孔就是这个过孔是中间层到中间层的,被埋起来的,表面是完全看不到。具体情况如下图所示。

在自动布线之前,预先用交互式对要求比较高的线进行布线,输入端与输出端的边线不应相邻平行,避免产生反射干扰。在必要时,可加地线进行隔离,且两相邻层的布线要互相垂直,因为平行比较容易产生寄生耦合。自动布线的布通率依赖于良好的布局,可预先设定布线规则,如走线弯曲次数、导通孔数目、步进数目等。一般是先进行探索式布线,快速的连通短线,再通过迷宫式布线,把要布的连线进行全局布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线并试着重新再布线,从而改进总体的布线效果。

对于布局而言,一个原则是数字和模拟尽可能的分开,令一个原则是低速的不要和高速的接近。最基本的原则就是把数字接地和模拟接地分开,数字接地由于都是开关器件,电流在开关的一瞬间都很大,不动的时候又很小,所以数字接地不可以和模拟接地混在一起。一个推荐的布局可以像下图所示。







1、电源与地线之间布线注意事项

(1)要在电源、地线之间加上去耦电容。一定要电源经过了去耦电容之后再连接到芯片的管脚,下图中列举了几种错误的连接法和一个正确的连接法,大家对着参照下,是不是有犯这样的错误呢?去耦电容一般来说有两个作用,一个是提供芯片瞬间的大电流,二是去除电源噪声,一方面是让电源的噪声尽量少的影响芯片,另一方面是芯片产生的噪声不要影响到电源。







(2)尽量加宽电源及地线,最好是地线比电源线宽,其关系为:地线>电源线>信号线。


(3)可以使用大面积的铜层作地线,在印制板上把没被使用的地方都与地相连,作地线使用,或是做成多层板,电源,地线各占用一层。



2、数字电路与模拟电路混合时的处理






现在,许多的PCB不再是单一功能的电路了,而是由数字电路和模拟电路混合构成,因此在布线时就需要考虑到它们之间互相干扰的问题,特别是地线上的噪音干扰。

由于数字电路频率高,模拟电路敏感度强,对信号线来说,高频的信号线要尽可能的远离敏感的模拟电路器件,但是对于整个PCB来说,PCB的地线对外界的结点只能有一个,所以必须要在PCB内部处理号数字电路及模拟电路共地的问题,而在电路板内部,数字电路的地和模拟电路的地实际上是分开的,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字电路的地与模拟电路地有一点短接,请注意,只有一个连接点,也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。




3、对于线拐角的处理

通常线的拐角处会有粗细变化,但是在线径粗细发生变化的时候,会发生一些反射的现象。拐角方式对于线的粗细变化情况,直角是最差的,45度角好一些,圆角是最好的。但是圆角对PCB设计来讲处理比较麻烦,所以一般是看信号的敏感程度来定,一般的信号用45度角就可以了,只有那些非常敏感的线才需要用圆角。







4、布好线后要进行设计规则检查

无论做什么,在完成后都要检查,就像我们考试的时候如果有时间剩余都要对我们的作答情况进行检查,这是我们拿到高分的重要途径,同样我们画PCB板也一样。这样我们才能更有把握我们画出来的电路板是合格产品。我们一般检查有如下几个方面:

(1)线与线,线与元件焊盘,线与贯通孔,元件焊盘与贯通孔,贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。


(2)电源线和地线的宽度是否合适,电源与地线之间是否紧耦合(低的波阻抗),在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。


(3)对于关键的信号线是否采取了最佳措施,如长度最短,加保护线,输入线及输出线被明显地分开。


(4)模拟电路和数字电路部分,是否有各自独立的地线。


(5)后加在PCB中的图形(如图示、注标)是否会造成信号短路。


(6)对一些不理想的线形进行修改。


(7)在PCB上是否加有工艺线,阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响电装质量。


(8)多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小,如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。

总之,以上的技巧和方法要领都是经验之谈,非常值得我们在画PCB板的时候学习借鉴,在画PCB图过程中除了熟练运用制图工具软件,还要有扎实的理论知识和丰富的实战经验,这些可以帮你快速有效地完成你的PCB图。但是还有一点非常重要,那就是一定要细心,无论是布线还是整体布局每一步都要很细心认真地对待,因为你的一个很小的差错可能会导致你最终的产品成为废品,然后还找不到哪里出错了,所以我们在画图的过程宁愿多花点时间细心核对细节部分也不愿意出问题了再返回来检查,那样可能会花更多的时间。简而言之,画PCB的过程注意细节部分。(Felix Zhang DesignSpark)  


——部分参考内容来源《高速PCB设计指南之一》
 
 
 
 
 
来源 EDN电子技术设计智造家提供 查看全部
布线是PCB设计过程中技巧最细、限定最高的,即使布了十几年线的工程师也往往觉得自己不会布线,因为看到了形形色色的问题,知道了这根线布了出去就会导致什么恶果,所以,就变的不知道怎么布了。但是高手还是有的,他们有着很理性的知识,同时又带着一些自我创作的情感去布线,布出来的线就颇为美观有艺术感。

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下面是一些好的布线技巧和要领:

首先,先对做个基础介绍,PCB的层数可以分为单层,双层和多层的,单层现在基本淘汰了。双层板现在音响系统中用的挺多,一般是作为功放粗狂型的板子,多层板就是指4层及4层以上的板,对于元器件的密度要求不高的一般来讲4层就足够了。从过孔的角度可以分成通孔,盲孔,和埋孔。通孔就是一个孔是从顶层直接通到底层的;盲孔是从顶层或底层的孔穿到中间层,然后就不继续穿了,这个好处就是这个过孔的位置不是从头堵到尾的,其他层在这个过孔的位置上还是可以走线的;埋孔就是这个过孔是中间层到中间层的,被埋起来的,表面是完全看不到。具体情况如下图所示。

在自动布线之前,预先用交互式对要求比较高的线进行布线,输入端与输出端的边线不应相邻平行,避免产生反射干扰。在必要时,可加地线进行隔离,且两相邻层的布线要互相垂直,因为平行比较容易产生寄生耦合。自动布线的布通率依赖于良好的布局,可预先设定布线规则,如走线弯曲次数、导通孔数目、步进数目等。一般是先进行探索式布线,快速的连通短线,再通过迷宫式布线,把要布的连线进行全局布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线并试着重新再布线,从而改进总体的布线效果。

对于布局而言,一个原则是数字和模拟尽可能的分开,令一个原则是低速的不要和高速的接近。最基本的原则就是把数字接地和模拟接地分开,数字接地由于都是开关器件,电流在开关的一瞬间都很大,不动的时候又很小,所以数字接地不可以和模拟接地混在一起。一个推荐的布局可以像下图所示。

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1、电源与地线之间布线注意事项

(1)要在电源、地线之间加上去耦电容。一定要电源经过了去耦电容之后再连接到芯片的管脚,下图中列举了几种错误的连接法和一个正确的连接法,大家对着参照下,是不是有犯这样的错误呢?去耦电容一般来说有两个作用,一个是提供芯片瞬间的大电流,二是去除电源噪声,一方面是让电源的噪声尽量少的影响芯片,另一方面是芯片产生的噪声不要影响到电源。

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(2)尽量加宽电源及地线,最好是地线比电源线宽,其关系为:地线>电源线>信号线。


(3)可以使用大面积的铜层作地线,在印制板上把没被使用的地方都与地相连,作地线使用,或是做成多层板,电源,地线各占用一层。



2、数字电路与模拟电路混合时的处理

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现在,许多的PCB不再是单一功能的电路了,而是由数字电路和模拟电路混合构成,因此在布线时就需要考虑到它们之间互相干扰的问题,特别是地线上的噪音干扰。

由于数字电路频率高,模拟电路敏感度强,对信号线来说,高频的信号线要尽可能的远离敏感的模拟电路器件,但是对于整个PCB来说,PCB的地线对外界的结点只能有一个,所以必须要在PCB内部处理号数字电路及模拟电路共地的问题,而在电路板内部,数字电路的地和模拟电路的地实际上是分开的,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字电路的地与模拟电路地有一点短接,请注意,只有一个连接点,也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。




3、对于线拐角的处理

通常线的拐角处会有粗细变化,但是在线径粗细发生变化的时候,会发生一些反射的现象。拐角方式对于线的粗细变化情况,直角是最差的,45度角好一些,圆角是最好的。但是圆角对PCB设计来讲处理比较麻烦,所以一般是看信号的敏感程度来定,一般的信号用45度角就可以了,只有那些非常敏感的线才需要用圆角。

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4、布好线后要进行设计规则检查

无论做什么,在完成后都要检查,就像我们考试的时候如果有时间剩余都要对我们的作答情况进行检查,这是我们拿到高分的重要途径,同样我们画PCB板也一样。这样我们才能更有把握我们画出来的电路板是合格产品。我们一般检查有如下几个方面:

(1)线与线,线与元件焊盘,线与贯通孔,元件焊盘与贯通孔,贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。


(2)电源线和地线的宽度是否合适,电源与地线之间是否紧耦合(低的波阻抗),在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。


(3)对于关键的信号线是否采取了最佳措施,如长度最短,加保护线,输入线及输出线被明显地分开。


(4)模拟电路和数字电路部分,是否有各自独立的地线。


(5)后加在PCB中的图形(如图示、注标)是否会造成信号短路。


(6)对一些不理想的线形进行修改。


(7)在PCB上是否加有工艺线,阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响电装质量。


(8)多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小,如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。

总之,以上的技巧和方法要领都是经验之谈,非常值得我们在画PCB板的时候学习借鉴,在画PCB图过程中除了熟练运用制图工具软件,还要有扎实的理论知识和丰富的实战经验,这些可以帮你快速有效地完成你的PCB图。但是还有一点非常重要,那就是一定要细心,无论是布线还是整体布局每一步都要很细心认真地对待,因为你的一个很小的差错可能会导致你最终的产品成为废品,然后还找不到哪里出错了,所以我们在画图的过程宁愿多花点时间细心核对细节部分也不愿意出问题了再返回来检查,那样可能会花更多的时间。简而言之,画PCB的过程注意细节部分。(Felix Zhang DesignSpark)  


——部分参考内容来源《高速PCB设计指南之一》
 
 
 
 
 
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记住这十一条,轻松搞定DC DC电源转换电路设计

电气控制类 chloe 2016-09-26 08:00 发表了文章 来自相关话题

第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路电源常用5V 15V,数字电路常用3.3V等,现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压,诸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

第二条、需要知道 的DC/DC转换电路分类

DC/DC转换电路主要分为以下三大类:

①稳压管稳压电路。 ②线性 (模拟)稳压电路。 ③开关型稳压电路

第三条、最简单的 稳压管电路设计方案

稳压管稳压电路电路结构简单,但是带负载能力差,输出功率小,一般只为芯片提供基准电压,不做电源使用。

选择稳压管时一般可按下述式子估算: (1) Uz=Vout; (2)Izmax=(1.5-3)ILmax (3)Vin=(2-3)Vout 这种电路结构简单,可以抑制输入电压的扰动,但由于受到稳压管最大工作电流限制,同时输出电压又不能任意调节,因此该电路适应于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合,该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

第四条、基准电压源芯片稳压电路

稳压电路的另一种形式,有些芯片对供电电压要求比较高,例如AD DA芯片的基准电压等,这时常用的一些电压基准芯片如TL431、 MC1403 ,REF02等。TL431是最常用基准源芯片,有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图示,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。

其他的几个基准电压源芯片电路类似。

第五条、串联型稳压电源的电路认识

串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种,其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法,在三端稳压器出现之前,串联稳压器通常有OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路,如下图,该电路中,OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连,正向输入端子与基准电压Vref相连,Vs=Vout*R2/(R1+R2).由于放大信号ΔVs为负值,控制晶体管的基级电压下降,因此输出电压减小在正常情况下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),调整R1,R2之比可设定所需要的输出电压值。

图中所示只是这也是三端稳压器的基本原理,其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等,这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当,极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师,一般现在不用这种方法,而是直接采用集成的三端稳压电路,进行DC/DC转换电路的使用。

第六条、 线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案

线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器,主要有两种:

一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压器,三端稳压器的通用产品有78系列(正电源)和79系列(负电源),输出电压由具体型号中的后面两个数字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A,如78L05表求5V 0.1A。

另一种输出电压是可调的线性稳压电路,称为可调输出三端稳压器,这类芯片代表是是LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。其最大输入输出极限差值在40V,输出电压为1.2V-35V(-1.2V--35V)连续可调,输出电流为0.5-1.5A,输出端与调整端之间电压在1.25V,调整端静态电流为50uA。

其基本原理相同,均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能稳定,价格低廉等优点,因而得到广泛应用。

第七条 、DCDC转换开关型稳压电路设计方案

上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路,在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态,因此当负载电流大时,损耗比较大,即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大,一般只有2-3W,这种设计方案仅适合于小功率电源电路。

采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。

DCDC转换开关型稳压电路设计方案,采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。

非隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

第八条、 非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案

DCDC开关转换集成电路芯片,这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似,这里用L4960举例说明,一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换,将~220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2~34V,由L4960进行DC-DC变换,这时输出电压的变化范围下可调至5V,上调至40V,最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流),并且内设完善的保护功能,如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多,但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比,效率不可同曰而语,L4960最大可输出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身最多只消耗7W,所以散热器很小,制作容易。与L4960类似的还有L296,其基本参数与L4960相同,只是最大输出电流可高达4A,且具有更多的保护功能,封装形式也不一样。这样的芯片比较多,比如,LM2576系列,TPS54350,LTC3770等等。 一般在使用这些芯片时,厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

第九条 、隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案

常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类:1.反激式变换。2.正激式变换。3.桥式变换

常用的单端反激式DC/DC变换电路,这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器,主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理是:电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。主电路采用单端反激式 拓扑,它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的,该电路具有结构简单, 效率高, 输入电压范围宽等优点。 控制电路是整个开关电源的核心,控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制,即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。 这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大,与前面几种设计方案相比电路结构复杂,元器件参数确定比较困难,开发成本较高,因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。

第十条、 DCDC开关集成电源模块方案

很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源,这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序,以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序,就可能出现闭锁或过高的电流消耗,这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载,内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做 一些专用的开关电源模块,主要是那些对除去常规电性能指标以外,对其体积小,功率密度高,转换效率高,发热少,平均无故障工作时间长,可靠性好,更低成本更高性能的DC/DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件,可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计,同时可减少电源管理部分的占板空间。

最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而,最 简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。

第十一条、DCDC电源转换方案的选择注意事项

本条金律也是本文的总结,很重要。本文这里主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。

①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用,只能用于没有功率要求的芯片供电;②线性稳压电路电路结构简单,但由于转化效率低,因此只能用于小功率稳压电源中;③开关型稳压电路转化效率高,可以应用在大功率场合,但其局限性在电路结构相对复杂(尤其是大功率电路),不利于小型化。因此在设计过程中,可根据实际需要选择合适的设计方案。
 
 
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第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路电源常用5V 15V,数字电路常用3.3V等,现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压,诸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

第二条、需要知道 的DC/DC转换电路分类

DC/DC转换电路主要分为以下三大类:

①稳压管稳压电路。 ②线性 (模拟)稳压电路。 ③开关型稳压电路

第三条、最简单的 稳压管电路设计方案

稳压管稳压电路电路结构简单,但是带负载能力差,输出功率小,一般只为芯片提供基准电压,不做电源使用。

选择稳压管时一般可按下述式子估算: (1) Uz=Vout; (2)Izmax=(1.5-3)ILmax (3)Vin=(2-3)Vout 这种电路结构简单,可以抑制输入电压的扰动,但由于受到稳压管最大工作电流限制,同时输出电压又不能任意调节,因此该电路适应于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合,该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

第四条、基准电压源芯片稳压电路

稳压电路的另一种形式,有些芯片对供电电压要求比较高,例如AD DA芯片的基准电压等,这时常用的一些电压基准芯片如TL431、 MC1403 ,REF02等。TL431是最常用基准源芯片,有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图示,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。

其他的几个基准电压源芯片电路类似。

第五条、串联型稳压电源的电路认识

串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种,其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法,在三端稳压器出现之前,串联稳压器通常有OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路,如下图,该电路中,OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连,正向输入端子与基准电压Vref相连,Vs=Vout*R2/(R1+R2).由于放大信号ΔVs为负值,控制晶体管的基级电压下降,因此输出电压减小在正常情况下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),调整R1,R2之比可设定所需要的输出电压值。

图中所示只是这也是三端稳压器的基本原理,其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等,这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当,极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师,一般现在不用这种方法,而是直接采用集成的三端稳压电路,进行DC/DC转换电路的使用。

第六条、 线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案

线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器,主要有两种:

一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压器,三端稳压器的通用产品有78系列(正电源)和79系列(负电源),输出电压由具体型号中的后面两个数字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A,如78L05表求5V 0.1A。

另一种输出电压是可调的线性稳压电路,称为可调输出三端稳压器,这类芯片代表是是LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。其最大输入输出极限差值在40V,输出电压为1.2V-35V(-1.2V--35V)连续可调,输出电流为0.5-1.5A,输出端与调整端之间电压在1.25V,调整端静态电流为50uA。

其基本原理相同,均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能稳定,价格低廉等优点,因而得到广泛应用。

第七条 、DCDC转换开关型稳压电路设计方案

上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路,在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态,因此当负载电流大时,损耗比较大,即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大,一般只有2-3W,这种设计方案仅适合于小功率电源电路。

采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。

DCDC转换开关型稳压电路设计方案,采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。

非隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

第八条、 非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案

DCDC开关转换集成电路芯片,这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似,这里用L4960举例说明,一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换,将~220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2~34V,由L4960进行DC-DC变换,这时输出电压的变化范围下可调至5V,上调至40V,最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流),并且内设完善的保护功能,如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多,但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比,效率不可同曰而语,L4960最大可输出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身最多只消耗7W,所以散热器很小,制作容易。与L4960类似的还有L296,其基本参数与L4960相同,只是最大输出电流可高达4A,且具有更多的保护功能,封装形式也不一样。这样的芯片比较多,比如,LM2576系列,TPS54350,LTC3770等等。 一般在使用这些芯片时,厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

第九条 、隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案

常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类:1.反激式变换。2.正激式变换。3.桥式变换

常用的单端反激式DC/DC变换电路,这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器,主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理是:电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。主电路采用单端反激式 拓扑,它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的,该电路具有结构简单, 效率高, 输入电压范围宽等优点。 控制电路是整个开关电源的核心,控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制,即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。 这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大,与前面几种设计方案相比电路结构复杂,元器件参数确定比较困难,开发成本较高,因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。

第十条、 DCDC开关集成电源模块方案

很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源,这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序,以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序,就可能出现闭锁或过高的电流消耗,这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载,内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做 一些专用的开关电源模块,主要是那些对除去常规电性能指标以外,对其体积小,功率密度高,转换效率高,发热少,平均无故障工作时间长,可靠性好,更低成本更高性能的DC/DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件,可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计,同时可减少电源管理部分的占板空间。

最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而,最 简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。

第十一条、DCDC电源转换方案的选择注意事项

本条金律也是本文的总结,很重要。本文这里主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。

①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用,只能用于没有功率要求的芯片供电;②线性稳压电路电路结构简单,但由于转化效率低,因此只能用于小功率稳压电源中;③开关型稳压电路转化效率高,可以应用在大功率场合,但其局限性在电路结构相对复杂(尤其是大功率电路),不利于小型化。因此在设计过程中,可根据实际需要选择合适的设计方案。
 
 
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