电子工程 - 电路设计

原理说明

电路（电子线路）是由电气设备和元器件按一定方式联接起来，为电流流通提供了路径的总体，也叫电子网路。电路的大小可以相差很大，小到硅片上的集成电路，大到输电网。电路（英文：Electrical circuit）或称电子回路，是由电气设备和元器件，按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，构成的网络。

思路

电路设计思路分为以下几点：

1、整体思路：在设计硬件电路时首先要了解大的框架，对框架进行设计，了解构建功能。

2、理解电路：对电路布局要了解清楚。

3、原理图设计：原理图设计是将思路转换成电路原理图。

4、pcb布局：pcb涉及到电路板，将元器件放置在电路板是，进行pcb的布局。

5、准备好bom表，装配pcb。对所用的元器件要进行归纳汇总，这样我们就会用到bom表。

6、电路调试：调试前需要检查是否有可见的短路、故障或者元器件放置错误等问题，这样可以避免通电后产生损坏，调试的过程中包括对系统故障问题排查、系统性能测试和功能测试，从而保证电路的性能和质量。

7、电路定型：将调试合格的样品进行定型，这是电路设计的最重要一步。

原则

电路设计时要坚持以下几个原则：

1、整体性原则：即从整体角度出发，设计时要考虑到电路各个部件之间的关系。

2、功能性原则：电路设计的过程时复杂的，需要按照各个部件的功能进行划分。

3、最优原则：电路设计中，如果其中一个部件质量有问题，会导致整个电路质量不达标，所以在设计电路时，要确保每个部件都达标。

4、稳定性原则：在设计电路时，有很多不确定的因素，所以在设计电路时，最重要的一点就是保证稳定性。

5、性价比原则：在激烈的市场竞争中，只有控制产品的生产周期和成本，才能提高产品的竞争力，所以在进行电路设计时，要坚持性价比原则。

pace: normal;">电路设计在产品开发中占有重要的位置，优秀的电路设计会提升产品质量和企业竞争力。

59个必备知识点

1.信号滤波退耦：对每个模拟放大器电源，必需在最接近电路的连接处到放大器之间加去耦电容器。对数字集成电路，分组加去耦电容器。在马达与发电机的电刷上安装电容器旁路，在每个绕组支路上串联R-C滤波器，在电源入口处加低通滤波等措施抑制干扰。安装滤波器应尽量靠近被滤波的设备，用短的，加屏蔽的引线作耦合媒介。所有滤波器都须加屏蔽，输入引线与输出引线之间应隔离。

2.各功能单板对电源的电压波动范围、纹波、噪声、负载调整率等方面的要求予以明确，二次电源经传输到达功能单板时要满足上述要求。

3.将具有辐射源特征的电路装在金属屏蔽内，使其瞬变干扰最小。

4.在电缆入口处增加保护器件。

5.每个IC的电源管脚要加旁路电容（一般为104）和平滑电容(10uF~100uF)到地，大面积IC每个角的电源管脚也要加旁路电容和平滑电容。

6.滤波器选型的阻抗失配准则：对低阻抗噪声源，滤波器需为高阻抗（大的串联电感）；对高阻抗噪声源，滤波器就需为低阻抗（大的并联电容）。

7.电容器外壳、辅助引出端子与正、负极以及电路板间必须完全隔离。

8.滤波连接器必须良好接地，金属壳滤波器采用面接地。

9.滤波连接器的所有针都要滤波。

10.数字电路的电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲的上升沿和下降沿所决定的频带宽而不是数字脉冲的重复频率。

11.用R－S触发器作设备控制按钮与设备电子线路之间配合的缓冲。

12.降低敏感线路的输入阻抗有效减少引入干扰的可能性。

13.LC滤波器在低输出阻抗电源和高阻抗数字电路之间，需要LC滤波器，以保证回路的阻抗匹配。

14.电压校准电路：在输入输出端，要加上去耦电容（比如0.1μF），旁路电容选值遵循10μF/A的标准。

15.信号端接：高频电路源与目的之间的阻抗匹配非常重要，错误的匹配会带来信号反馈和阻尼振荡。过量地射频能量则会导致EMI问题。此时，需要考虑采用信号端接。

16.I/O引脚：空置的I/O引脚要连接高阻抗以便减少供电电流。且避免浮动。

17.IRQ引脚：在IRQ引脚要有预防静电释放的措施。比如采用双向二极管、Transorbs或金属氧化变阻器等。

18.复位引脚：复位引脚要有时间延时。以免上电初期MCU即被复位。

19.振荡器：在满足要求情况下，MCU使用的时钟振荡频率越低越好。

20.让时钟电路、校准电路和去耦电路接近MCU放置.

21.小于10个输出的小规模集成电路，工作频率≤50MHZ时，至少配接一个0.1uf的滤波电容。工作频率≥50MHZ时，每个电源引脚配接一个0.1uf的滤波电容；

22.对于中大规模集成电路，每个电源引脚配接一个0.1uf的滤波电容。对电源引脚冗余量较大的电路也可按输出引脚的个数计算配接电容的个数，每5个输出配接一个0.1uf滤波。

23.对无有源器件的区域，每6平方厘米至少配接一个0.1uf的滤波电容。

24.对于超高频电路，每个电源引脚配接一个1000pf的滤波电容。对电源引脚冗余量较大的电路也可按输出引脚的个数计算配接电容的个数，每5个输出配接一个1000pf的滤波。

25.高频电容应尽可能靠近IC电路的电源引脚处。

26.每5只高频滤波电容至少配接一只一个0.1uf滤波电容。

27.每5只10uf至少配接两只47uf低频的滤波电容。

28.每个模块电源出口周围应至少配置2只220uf或470uf电容，如空间允许，应适当增加电容的配置数量；

29.脉冲与变压器隔离准则：脉冲网络和变压器须隔离，变压器只能与去耦脉冲网络连接，且连接线最短。

30.在开关和闭合器的开闭过程中，为防止电弧干扰，可以接入简单的RC网络、电感性网络，并在这些电路中加入一高阻、整流器或负载电阻之类，如果还不行，就将输入和载出引线进行屏蔽。此外，还可以在这些电路中接入穿心电容。

31.退耦、滤波电容须按照高频等效电路图来分析其作用。

32.各功能单板电源引进处要采用合适的滤波电路，尽可能同时滤除差模噪声和共模噪声，噪声泄放地与工作地特别是信号地要分开，可考虑使用保护地；集成电路的电源输入端要布置去耦电容，以提高抗干扰能力。

33.明确各单板最高工作频率，对工作频率在160MHz（或200 MHz）以上的器件或部件采取必要的屏蔽措施，以降低其辐射干扰水平和提高抗辐射干扰的能力。

34.如有可能在控制线（于印刷板上）的入处加接去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。

35.用R-S触发器做按钮与电子线路之间配合的缓冲。

36.在次级整流回路中使用快恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器降低敏感线路的输入阻抗。

37.如有可能在敏感电路采用平衡线路作输入，利用平衡线路固有的共模抑制能力克服干扰源对敏感线路的干扰。

38.将负载直接接地的方式是不合适。

39.注意在IC近端的电源和地之间加旁路去耦电容（一般为104）。

40.如有可能，敏感电路采用平衡线路作输入，平衡线路不接地。

41.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。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次。

42.在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。

43.给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。

44.电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

45.可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。

46.许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

47.如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波）。

48.在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能

49.对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

50.对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

51.在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

52.如有可能，在PCB板的接口处加RC低通滤波器或EMI抑制元件（如磁珠、信号滤波器等），以消除连接线的干扰；但是要注意不要影响有用信号的传输。

53.时钟输出布线时不要采用向多个部件直接串行地连接〔称为菊花式连接〕；而应该经缓存器分别向其它多个部件直接提供时钟信号。

54.在靠近连接器的地方，要将连接器上的信号用一个L-C或者磁珠-电容滤波器接到连接器的机箱地上。

55.在机箱地和电路公共地之间加入一个磁珠。

56.电子设备内部的电源分配系统是遭受ESD电弧感性耦合的主要对象，电源分配系统防ESD措施：1、将电源线和相应的回路线紧密绞合在一起；2、在每一根电源线进入电子设备的地方放一个磁珠；3、在每一个电源管脚和紧靠电子设备机箱地之间放一个瞬流抑制器、金属氧化压敏电阻(MOV)或者1kV高频电容；4最好在PCB上布置专门的电源和地平面，或者紧密的电源和地栅格，并采用大量旁路和去耦电容。

57.在接收端放置串联的电阻和磁珠，对易被ESD击中的电缆驱动器，也可在驱动端放置串联的电阻或磁珠。

58.在接收端放置瞬态保护器。1用短而粗的线(长度小于5倍宽度，最好小于3倍宽度)连接到机箱地。2从连接器出来的信号线和地线要直接接到瞬态保护器，然后才能接电路的。

59.在连接器处或者离接收电路25mm(1.0英寸)的范围内，放置滤波电容：

用短而粗的线连接到机箱或者接收电路(长度小于5倍宽度，最好小于3倍宽度) 。

信号线和线先连接到电容再连接到接收电路。

设计流程

一般PCB基本设计流程如下：前期准备--PCB结构设计--PCB布局--布线--布线优化和丝印--网络和DRC检查和结构检查--制版。

第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。“工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用protel自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS：注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。

第二：PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在PCB设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。

第三：PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表（Design--CreateNetlist），之后在PCB图上导入网络表（Design--LoadNets）。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。

一般布局按如下原则进行：

①．按电气性能合理分区，一般分为：数字电路区（即怕干扰、又产生干扰）、模拟电路（怕干扰）、功率驱动区（干扰源）；

②．完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁；同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁；

③．对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置，必要时还应考虑热对流措施；

④．I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件；

⑤．时钟产生器（如：晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件；

⑥．在每个集成电路的电源输入脚和地之间，需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）；电路板空间较密时，也可在几个集成电路周围加一个钽电容；

⑦．继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）；

⑧．布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

需要特别注意，在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时，应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致”。这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一点要花大力气去考虑。布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。

第四：布线。布线是整个PCB设计中最重要的工序。这将直接影响着PCB板的性能好坏。在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。

布线时主要按以下原则进行：

①．一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm，电源线一般为1.2～2.5mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）；

②．预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合；

③．振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；

④．尽可能采用45o的折线布线，不可使用90o折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）；

⑤．任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；

⑥．关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地；

⑦．通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出；

⑧．关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用；

⑨．原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。

PCB布线工艺要求：

①．线

一般情况下，信号线宽为0.3mm（12mil），电源线宽为0.77mm（30mil）或1.27mm（50mil）；线与线之间和线与焊盘之间的距离大于等于0.33mm（13mil），实际应用中，条件允许时应考虑加大距离；布线密度较高时，可考虑（但不建议）采用IC脚间走两根线，线的宽度为0.254mm（10mil），线间距不小于0.254mm（10mil）。

特殊情况下，当器件管脚较密，宽度较窄时，可按适当减小线宽和线间距。

②．焊盘（PAD）

焊盘（PAD）与过渡孔（VIA）的基本要求是：盘的直径比孔的直径要大于0.6mm；例如，通用插脚式电阻、电容和集成电路等，采用盘/孔尺寸1.6mm/0.8mm（63mil/32mil），插座、插针和二极管1N4007等，采用1.8mm/1.0mm（71mil/39mil）。实际应用中，应根据实际元件的尺寸来定，有条件时，可适当加大焊盘尺寸；PCB板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大0.2～0.4mm左右。

③．过孔（VIA）

一般为1.27mm/0.7mm（50mil/28mil）；

当布线密度较高时，过孔尺寸可适当减小，但不宜过小，可考虑采用1.0mm/0.6mm（40mil/24mil）。

④．焊盘、线、过孔的间距要求

PADandVIA：≥0.3mm（12mil）

PADandPAD：≥0.3mm（12mil）

PADandTRACK：≥0.3mm（12mil）

TRACKandTRACK：≥0.3mm（12mil）

密度较高时：

PADandVIA：≥0.254mm（10mil）

PADandPAD：≥0.254mm（10mil）

PADandTRACK：≥0.254mm（10mil）

TRACKandTRACK：≥0.254mm（10mil）

第五：布线优化和丝印。“没有最好的，只有更好的”！不管你怎么挖空心思的去设计，等你画完之后，再去看一看，还是会觉得很多地方可以修改的。一般设计的经验是：优化布线的时间是初次布线的时间的两倍。感觉没什么地方需要修改之后，就可以铺铜了（Place->polygonPlane）。铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离），多层板时还可能需要铺电源。时对于丝印，要注意不能被器件挡住或被过孔和焊盘去掉。同时，设计时正视元件面，底层的字应做镜像处理，以免混淆层面。

第六：网络和DRC检查和结构检查。首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（NETCHECK），并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证布线连接关系的正确性；网络检查正确通过后，对PCB设计进行DRC检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证PCB布线的电气性能。最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。

第七：制版。在此之前，最好还要有一个审核的过程。

PCB设计是一个考心思的工作，谁的心思密，经验高，设计出来的板子就好。所以设计时要极其细心，充分考虑各方面的因数（比如说便于维修和检查这一项很多人就不去考虑），精益求精，就一定能设计出一个好板子。

应用领域及发展

电路设计是一种至关重要的工程学科，它涉及到将电子元件（如电阻、电容、电感、二极管、晶体管等）以最有效的方式连接起来以满足特定要求。电路设计师的工作就是通过使用各种电子元器件和连线，来创建能够执行特定功能的电子系统。

基本概念

电路设计的主要任务是通过合理地组合电子元件，使得由这些元件构成的电路能够实现特定的功能。这需要考虑到元件的性能参数、相互之间的连接关系以及电路的运行环境等众多因素。在电路设计中，通常需要考虑的重要因素包括电压、电流、电阻、电容、电感等。

应用领域

电路设计的应用领域广泛，且在各行各业中均有重要应用。例如，在通信领域，从手机到卫星通信系统，都需要精密的电路设计来实现信号的发送和接收。在电力工程中，电路设计用于创建高效、安全的电力系统，如电力变压器、发电机等。此外，在汽车、航空航天、医疗设备等领域，电路设计都发挥着关键作用。

未来发展

随着科技的快速发展，电路设计正面临着新的挑战和机遇。未来的电路设计将更加注重系统级的设计和集成，同时随着可穿戴设备、物联网等新兴领域的兴起，柔性电路和微型化将成为重要的研究方向。同时，随着人工智能、机器学习等技术的进步，电路设计也将越来越依赖计算机辅助设计（CAD）软件进行自动化设计和优化。

总结：电路设计是一项复杂且要求精细的工程任务，它关乎到电子设备的性能和功能。从手机中的应用程序到复杂的通信系统，从医疗设备到汽车和航空航天系统，电路设计在各个领域都有其重要应用。随着科技的不断发展，电路设计将面临更多的挑战和机遇，未来的发展趋势将更加注重系统级的设计和集成，柔性电路和微型化，以及设计的自动化和智能化。通过了解电路设计的基础知识，将有助于我们更好地理解电子设备工作的原理，并期待电路设计在未来的发展与应用。

基础知识

电路设计基础知识涉及多个方面，包括电路的基本概念、定律、元件选择、布局与布线技巧等。以下是一些关键的电路设计基础知识：

一、电路基本概念

1、电流：带电粒子的定向移动形成电流。在电路中，正电荷移动的方向被定义为电流的方向。

2、电压：单位正电荷在电路中从一个点移动到另一个点所获得的能量差称为电压。电压的实际方向通常认为是从高电位指向低电位。

3、电阻：电路中对电流起阻碍作用的元件称为电阻。电阻的大小反映了导体对电流阻碍作用的大小。

4、功率：单位时间内电流所做的功称为电功率，简称功率。功率是描述电路消耗或产生能量快慢的物理量。

二、基本定律

1、欧姆定律：在电阻电路中，电流、电压和电阻之间的关系遵循欧姆定律，即V=IR，其中V是电压，I是电流，R是电阻。该定律说明通过导体两点间的电流与这两点间的电势差成正比。

2、基尔霍夫定律：

基尔霍夫电流定律（KCL）：对于任何集总参数电路的任一结点，在任一时刻，流出该结点全部支路电流的代数和等于零。

基尔霍夫电压定律（KVL）：对于任何集总参数电路的任一回路，在任一时刻，沿该回路全部支路电压的代数和等于零。

三、元件选择

1、电阻：根据电路的需求选择合适的电阻值，考虑电阻的功率等级以避免过热。

2、电容：电容的选择需要考虑其容值、耐压值以及工作频率等因素。不同类型的电容（如陶瓷电容、电解电容等）适用于不同的电路场景。

3、电感：电感的选择需考虑其电感量、直流电阻以及工作频率等参数。对于BUCK降压电路等场景，电感的选择尤为重要，因为它直接影响到电路的性能和效率。

四、布局与布线技巧

1、高频电流环路：在高频电路中，高频电流环路的面积应尽量小，以减少电磁干扰和辐射。

2、小信号地处理：小信号的地应连在一起，并尽量缩短走线长度，避免与其他大电流或高噪声信号线交叉。

3、去耦电容：在电源引脚附近放置去耦电容，以减少电源噪声对电路的影响。去耦电容的选择应根据信号的频率来确定。

五、其他注意事项

1、电源设计：合理的电源设计是电路稳定工作的基础。需要选择合适的电源芯片、设置合适的电压和电流保护等。

2、散热设计：对于功率较大的电路元件，如大功率电阻、开关管等，需要进行散热设计以防止过热损坏。

3、安全性设计：电路设计时应考虑安全性因素，如防触电、防火等。对于高压、大电流电路，应采取必要的安全措施。

综上所述，电路设计基础知识涉及多个方面，需要综合考虑电路的需求、元件的选择、布局与布线技巧以及安全性等因素。掌握这些基础知识对于进行电路设计具有重要意义。

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