獻(xiàn)給那些剛開始或即將開始設(shè)計(jì)硬件電路的人。

時(shí)光飛逝滤灯，離我最初畫第一塊電路已有 3 年坪稽。剛剛開始接觸電路板的時(shí)候，與你一樣鳞骤，我充滿了疑惑同時(shí)又帶著些興奮窒百。在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)讓人目不暇接豫尽。像信號(hào)完整性篙梢、EMI、PS 設(shè)計(jì)準(zhǔn)會(huì)把你搞暈美旧。別急庭猩，一切要慢慢來。

1陈症、總體思路

設(shè)計(jì)硬件電路蔼水，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)還真不容易录肯。有些大框架也許自己的老板趴腋、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實(shí)現(xiàn)论咏。

但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的优炬，那就要搞清楚要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板（要懂得盡量利用他人的成果厅贪，越是有經(jīng)驗(yàn)的工程師越會(huì)懂得借鑒他人的成果）蠢护。

2、理解電路

如果你找到了參考設(shè)計(jì)养涮，那么恭喜你葵硕，你可以節(jié)約很多時(shí)間了（包括前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試）眉抬。馬上就 copy？NO懈凹，還是先看懂理解了再說蜀变，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤介评。

3库北、沒有找到參考設(shè)計(jì)？

沒關(guān)系们陆。

先確定 IC 芯片寒瓦，找 datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求坪仇，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)杂腰，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)烟很，這也需要長(zhǎng)期地慢慢地積累颈墅。這期間，要善于提問雾袱，因?yàn)樽约翰欢臇|西恤筛，別人往往一句話就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)芹橡。

4毒坛、硬件電路設(shè)計(jì)主要是三個(gè)部分

原理圖、PCB林说、物料清單（BOM）表煎殷。

原理圖設(shè)計(jì)就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖腿箩。PCB 涉及到實(shí)際的電路板豪直，它根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通原理圖和 PCB 之間的橋梁），而將具體的元器件的封裝放置（布局）在電路板上珠移，然后根據(jù)飛線（也叫預(yù)拉線）連接其電信號(hào)（布線）弓乙。完成了 PCB 布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納钧惧，所以我們將用到 BOM 表暇韧。

5、用什么工具浓瞪？

Prote懈玻，也就是 altimuml 容易上手，在國(guó)內(nèi)也比較流行乾颁，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠涂乌，適合初入門的設(shè)計(jì)者使用艺栈。

其實(shí)無論用簡(jiǎn)單的 protel 或者復(fù)雜的 cadence 工具，硬件設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)是一樣的（protel 上的操作類似 windwos骂倘，是 post-command 型的眼滤；而 cadence 的產(chǎn)品 concept & allegro 是 pre-command 型的巴席，用慣了 protel历涝，突然轉(zhuǎn)向 cadence 的工具，會(huì)不習(xí)慣就是這個(gè)原因）漾唉。

「術(shù)語 post-command 解釋：

如我們要拷貝一個(gè) object（元件）荧库，我們要先選中這個(gè) object，然后按 ctrl+C赵刑，然后按 ctrl+V（copy 命令發(fā)生在選中 object 之后）分衫。這種操作 Windows 和 protel 都采用的這種方式。但是 concept 就是另外一種方式般此，我們叫做 pre-command蚪战。同樣我們要拷貝一個(gè)東西，先按 ctrl+C铐懊，然后再選中 object邀桑，再在外面單擊（copy 命令發(fā)生在選中 object 之前）】坪酰」

設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)都要有

1）原理圖設(shè)計(jì)壁畸。

2）PCB 設(shè)計(jì)。

3）制作 BOM 表茅茂。

現(xiàn)在簡(jiǎn)要談一下設(shè)計(jì)流程（步驟）：

1）原理圖庫(kù)建立捏萍。要將一個(gè)新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立改元件的庫(kù)空闲。庫(kù)中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性令杈，并且以具體的圖形形式來代表（我們常常看到的是一個(gè)矩形（代表其 IC BODY）碴倾，周圍許多短線（代表 IC 管腳））逗噩。protel 創(chuàng)建庫(kù)及其簡(jiǎn)單，而且因?yàn)橛玫娜硕嘤鞍撸S多元件都能找到現(xiàn)成的庫(kù)给赞，這一點(diǎn)對(duì)使用者極為方便。應(yīng)搞清楚 icbody矫户，icpins片迅，inputpin，output pin皆辽，analog pin柑蛇，digital pin芥挣，power pin 等區(qū)別。

2）有了充足的庫(kù)之后耻台，就可以在原理圖上畫圖了空免，按 datasheet 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過 wire 把相關(guān)元件連接起來盆耽，并在相關(guān)的地方添加 line 和 text 注釋蹋砚。

wire 和 line 的區(qū)別在于，前者有電氣屬性摄杂，后者沒有坝咐。wire 適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)，line 適用于注釋圖形析恢。這個(gè)時(shí)候墨坚，應(yīng)搞清一些基本概念，如：wire映挂，line泽篮，bus，part柑船，footprint帽撑，等等。

3）做完這一步椎组，我們就可以生成 netlist?了油狂，這個(gè) netlist 是原理圖與 pcb 之間的橋梁。原理圖是我們能認(rèn)知的形式寸癌，電腦要將其轉(zhuǎn)化為 pcb专筷，就必須將原理圖轉(zhuǎn)化它認(rèn)識(shí)的形式 netlist，然后再處理蒸苇、轉(zhuǎn)化為 pcb磷蛹。

4）得到 netlist，馬上畫 pcb溪烤？別急味咳，先做 ERC?。ERC 是電氣規(guī)則檢查的縮寫檬嘀。它能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查槽驶，如多個(gè) output 接在一起等問題。（但是一定要仔細(xì)檢查自己的原理圖鸳兽，不能過分依賴工具掂铐，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。）

5）從 netlist 得到了 pcb全陨，一堆密密麻麻的元件爆班，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳？別急辱姨，還得慢慢來柿菩。

6）確定板框大小。在 keepout 區(qū)（或 mechanic 區(qū)）畫個(gè)板框雨涛，這將限制了你布線的區(qū)域枢舶，需要根據(jù)需求好考慮板長(zhǎng)、板寬（有時(shí)镜悉，還得考慮板厚）祟辟。當(dāng)然了医瘫，疊層也得考慮好侣肄。（疊層的意思就是，板層有幾層醇份，怎么應(yīng)用稼锅，比如板總共 4 層，頂層走信號(hào)僚纷，中間第一層鋪電源矩距，中間第二層鋪地，底層走信號(hào)）怖竭。

7）確定完板框之后锥债，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關(guān)鍵痊臭。它往往決定了后期布線的難易哮肚。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面广匙，都要有所考量允趟。但是這些都是一個(gè)仁者見仁，智者見智的問題鸦致；從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣潮剪。其實(shí)自己畫了原理圖，明白所有元件功能分唾，自然對(duì)元件擺放有清楚的認(rèn)識(shí)（如果讓一個(gè)不是畫原理圖的人來擺放元件抗碰，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚 ^_^）。對(duì)于初入門的绽乔，注意模擬元件弧蝇、數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?/p>

8）接下來就是布線捍壤。這與布局往往是互動(dòng)的骤视，有經(jīng)驗(yàn)的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功，如果有些地方難以布線還需要改動(dòng)布局鹃觉，對(duì)于 FPGA 設(shè)計(jì)來說往往還要改動(dòng)原理圖來使布線更加順暢专酗。布線和布局問題涉及的因素很多，對(duì)于高速數(shù)字部分盗扇，因?yàn)闋砍兜叫盘?hào)完整性問題而變得復(fù)雜祷肯，但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計(jì)算的。所以疗隶，在信號(hào)頻率不是很高的情況下佑笋，應(yīng)以布通為第一原則。

9）OK 了斑鼻？別急蒋纬，用?DRC 檢查檢查先。這是一定要檢查的坚弱。DRC 對(duì)于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會(huì)有所標(biāo)注蜀备，按照這個(gè)再一一的排查，修正荒叶。

10）有些 PCB 還要加上敷銅（可能會(huì)導(dǎo)致成本增加）碾阁，將出線部分做成淚滴（工廠也許會(huì)幫你加）。最后的?PCB 文件轉(zhuǎn)成 gerber 文件就可交付 PCB 生產(chǎn)了些楣。（有些直接給 PCB 也成脂凶，工廠會(huì)幫你轉(zhuǎn) gerber）。

11）要裝配 PCB愁茁，準(zhǔn)備 bom 表吧蚕钦，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是埋市，原理圖中哪些部分元件該上冠桃，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)道宅。對(duì)于小批量或研究板而言食听，用 Excel 自己管理倒也方便（大公司往往要專業(yè)軟件來管理）。而對(duì)于新手而言污茵，第一個(gè)版本樱报，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將 bom 的料全部焊上，這樣不便于排查問題泞当。最好的方法就是迹蛤，根據(jù) bom 表自己準(zhǔn)備好元件，等到板來了之后，一步步上元件盗飒、調(diào)試嚷量。

談?wù)務(wù){(diào)試

1）拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能逆趣，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的蝶溶。先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路（盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過測(cè)試宣渗，這一步還是要自己親自看看抖所，有時(shí)候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時(shí)間：鄞选）田轧，其實(shí)短路與否不光 pcb 有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問題鞍恢，IO 短路一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果傻粘，但是電源短路就.....

2）電源網(wǎng)絡(luò)沒短路？那么好有序，那就看看電源輸出是否是自己理想的值抹腿，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好 IC 一件件芯片上旭寿，第一個(gè)要上的就是電源芯片。

3）電源網(wǎng)絡(luò)短路了崇败？這個(gè)比較麻煩盅称，不過要仔細(xì)看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結(jié)合割線的方法一步步排查倒底是什么地方短路了后室，是 PCB 的問題（一般比較爛的 PCB 廠就可能出現(xiàn)這種情況）缩膝，還是裝配的問題，還是自己設(shè)計(jì)的問題岸霹。關(guān)于檢查短路還有一些技巧疾层，這在今后登出。

4）電源芯片沒有輸出贡避？檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧痛黎，還需要檢查的地方有使能信號(hào)、分壓電阻刮吧、反饋網(wǎng)絡(luò).....

5)?電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍湖饱？如果超過很離譜，比如到了 10%杀捻，那么看看分壓電阻先井厌，這兩個(gè)分壓電阻一般要用 1% 的精度，這個(gè)你做到了沒有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧仅仆，這也會(huì)影響你的輸出電源的范圍器赞。

6）電源輸出正常了，別高興墓拜，如果有條件的話拳魁，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常撮弧。也就是抓取開電的瞬間潘懊，看看電源從無到有的情況（至于為什么要看著個(gè)，嘿嘿贿衍。..... 專業(yè)人士還是要看的～）

談?wù)勲娫?/b>

無疑電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)授舟，電源不穩(wěn)定，其他啥都別談贸辈，我想不用 balabala 述說它究竟有多么重要了释树。

在電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場(chǎng)合是，從一個(gè)穩(wěn)定的 「高」 電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的「低」電壓擎淤。這也就是經(jīng)常說的 DC-DC ( 直流 - 直流）奢啥，而直流 - 直流中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫?LDO ( 低壓差線性穩(wěn)壓器嘴拢，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源桩盲，也是指它），另一種叫?PWM（脈寬調(diào)制開關(guān)電源席吴，我們?cè)诒疚囊卜Q它開關(guān)電源）赌结。我們常常聽到 PWM 的效率高，但是 LDO 的響應(yīng)快孝冒，這是為什么呢柬姚？別著急，先讓我們看看它們的原理庄涡。

下面會(huì)涉及一些理論知識(shí)量承，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂穴店，可能需要檢查一下自己的基礎(chǔ)了撕捍。

一）線性穩(wěn)壓電源的工作原理

如圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖。我們的目的是從高電壓 Vs 得到低電壓 Vo迹鹅。在圖中卦洽，Vo 經(jīng)過兩個(gè)分壓電阻分壓得到 V+，V+ 被送入放大器（我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器）的正端斜棚，而放大器的負(fù)端 Vref 是電源內(nèi)部的參考電平（這個(gè)參考電平是恒定的）阀蒂。放大器的輸出 Va 連接到 MOSFET 的柵極來控制 MOSFET 的阻抗该窗。Va 變大時(shí)，MOSFET 的阻抗變大蚤霞；Va 變小時(shí)酗失，MOSFET 的阻抗變小。MOSFET 上的壓降將是 Vs-Vo昧绣。

現(xiàn)在我們來看 Vo 是怎么穩(wěn)定的规肴，假設(shè) Vo 變小，那么 V+ 將變小夜畴，放大器的輸出 Va 也將變小拖刃，這將導(dǎo)致 MOSFET 的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流贪绘，MOSFET 的壓差將變小兑牡，于是將 Vo 上抬來抑制 Vo 的變小。同理税灌，Vo 變大均函，V+ 變大，Va 變大菱涤，MOSFET 的阻抗變大苞也，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET 的壓差變大粘秆，于是抑制 Vo 變大如迟。

二）開關(guān)電源的工作原理

如上圖，為了從高電壓 Vs 得到 Vo翻擒，開關(guān)電源采用了用一定占空比的方波 Vg1氓涣，Vg2 推動(dòng)上下 MOS 管，Vg1 和 Vg2 是反相的陋气，Vg1 為高，Vg2 為低引润；上 MOS 管打開時(shí)巩趁，下 MOS 管關(guān)閉；下 MOS 管打開時(shí)淳附，上 MOS 管關(guān)閉议慰。由此在 L 左端形成了一定占空比的方波電壓，電感 L 和電容 C 我們可以看作是低通濾波器奴曙，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓 Vo别凹。Vo 經(jīng)過 R1、R2 分壓后送入第一個(gè)放大器（誤差放大器）的負(fù)端 V+洽糟，誤差放大器的輸出 Va 做為第二個(gè)放大器（PWM 放大器）的正端炉菲，PWM 放大器的輸出 Vpwm 是一個(gè)有一定占空比的方波堕战，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個(gè)反相的方波 Vg1、Vg2 來控制 MOSFET 的開關(guān)拍霜。

誤差放大器的正端 Vref 是一恒定的電壓嘱丢，而 PWM 放大器的負(fù)端 Vt 是一個(gè)三角波信號(hào)，一旦 Va 比三角波大時(shí)祠饺，Vpwm 為高越驻；Va 比三角波小時(shí)，Vpwm 為低道偷，因此 Va 與三角波的關(guān)系缀旁，決定了方波信號(hào)? Vpwm 的占空比；Va 高勺鸦，占空比就低并巍，Va 低，占空比就高祝旷。經(jīng)過處理履澳，Vg1 與 Vpwm 同相，Vg2 與? ? Vpwm 反相怀跛；最終 L 左端的方波電壓 Vp 與 Vg1 相同距贷。如下圖

當(dāng) Vo 上升時(shí)，V+ 將上升吻谋，Va 下降忠蝗，Vpwm 占空比下降，經(jīng)過們邏輯之后漓拾，Vg1 的占空比下降阁最，Vg2 的占空比上升，Vp 占空比下降骇两，這又導(dǎo)致 Vo 降低速种，于是 Vo 的上升將被抑制。反之亦然低千。

三）線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的比較

懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的工作原理之后配阵，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)示血，但是效率差棋傍；而開關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢难审，但效率高了瘫拣。

線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反饋環(huán)路短告喊，因此噪聲小麸拄，而且瞬態(tài)響應(yīng)快（當(dāng)輸出電壓變化時(shí)派昧，補(bǔ)償快）。但是因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钊柯湓诹?MOSFET 上感帅，所以它的效率低斗锭。因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流失球，對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上岖是。

而開關(guān)電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜实苞，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多豺撑，且其反饋環(huán)路長(zhǎng)，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源黔牵，且瞬態(tài)響應(yīng)慢聪轿。但是根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET 處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)猾浦，除了驅(qū)動(dòng) MOSFET陆错，和 MOSFET 自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出（理論上 L金赦、C 是不耗能量的音瓷，盡管實(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很屑锌埂）绳慎。

這一部分澄清高速信號(hào)認(rèn)識(shí)的一些誤區(qū)

一）高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率漠烧。

1）一般而言杏愤，時(shí)鐘頻率高的，其信號(hào)上升沿快已脓，因此一般我們把它們當(dāng)成高速信號(hào)珊楼；但反過來不一定成立，時(shí)鐘頻率低的亥曹，如果信號(hào)上升沿依然快的骗炉，一樣要把它當(dāng)成高速信號(hào)來處理厕鹃。根據(jù)信號(hào)理論把将，信號(hào)上升沿包含了高頻信息（用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式）洽议，因此，一旦信號(hào)上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號(hào)來處理膳叨，設(shè)計(jì)不好，很可能出現(xiàn)上升沿過于緩慢，有過沖，下沖抄课，振鈴的現(xiàn)象攒盈。比如僵蛛，I2 C 信號(hào)飘言，在超快速模式下泪电，時(shí)鐘頻率為 1 MHz碟渺，但是其規(guī)范要求上升時(shí)間或下降時(shí)間不超過 120 ns旺隙！確實(shí)有很多板 I2 C 就過不了關(guān)！

2）因此，我們更應(yīng)該關(guān)注的是信號(hào)帶寬审丘。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，帶寬與上升時(shí)間（10%~90%）的關(guān)系為 Fw * Tr = 3.5

二）示波器選擇

1）很多人注意到了示波器的采樣率桩警，沒有注意到示波器的帶寬。但往往示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。一些人以為只要示波器采樣率滿足超過信號(hào)時(shí)鐘頻率的兩倍就行了术瓮，這是大錯(cuò)特錯(cuò)。錯(cuò)誤的原因是錯(cuò)誤的理解了采樣定理辜伟。采樣定理 1 說明了當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最大帶寬的兩倍氓侧，就能完美地恢復(fù)原信號(hào)。

但是导狡，采樣定理指的信號(hào)是帶限信號(hào)（帶寬是有限的）约巷，與現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)嚴(yán)重不符。我們一般的數(shù)字信號(hào)旱捧，除了時(shí)鐘之外独郎，都不是周期的，從長(zhǎng)時(shí)間來看枚赡，其頻譜是無限寬的氓癌；要能捕獲到高速信號(hào)，就不能對(duì)其高頻分量太多的失真标锄。示波器帶寬指標(biāo)與此息息相關(guān)顽铸。因此，真正要注意的依然是用示波器捕獲的信號(hào)的上升沿失真在我們可接受的范圍料皇。

2）那么選多高帶寬的示波器才合適呢谓松？理論上 5 倍于信號(hào)帶寬的示波器捕獲的信號(hào)比原信號(hào)損失不到 3%。如果要求損失更寬松践剂，那就可以選擇更低端的示波器鬼譬。用到 3 倍于信號(hào)帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求，但是不要忘了你探頭的帶寬逊脯！

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