PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)詳細(xì)解析

印制電路板的設(shè)計(jì)是以電路原理圖為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局。內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局。金屬連線和通孔的優(yōu)化布局。電磁保護(hù)。熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。簡(jiǎn)單的版圖設(shè)計(jì)可以用手工實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)現(xiàn)。

在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問(wèn)題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)（切記“回路”取代“地”的概念）。在一個(gè)多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。

線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。

但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端（它位于發(fā)送線路和回路之間），一旦連接，這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。

Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第一個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。

在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開始沿著這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時(shí)間間隔（±t）內(nèi)從電池中流出的恒定電量（±Q）就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流通過(guò)上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

PCB（Printed Circuit Board）印刷電路板的縮寫。

設(shè)計(jì)軟件

一、國(guó)內(nèi)用的比較多的是protel，protel 99se，protel DXP，Altium，這些都是一個(gè)公司發(fā)展，不斷升級(jí)的軟件；當(dāng)前版本是Altium Designer 15 比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較隨意，但是做復(fù)雜的PCB這些軟件就不是很好。

二、Cadence spb軟件Cadence spb這是Cadence的軟件，當(dāng)前版本是Cadence SPB 16.5；其中的ORCAD原理圖設(shè)計(jì)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；其中PCB設(shè)計(jì)、仿真很全，用起來(lái)比protel復(fù)雜，主要是要求、設(shè)置復(fù)雜；但是為設(shè)計(jì)做好了規(guī)定，所以設(shè)計(jì)起來(lái)事半功倍，比protel就明顯強(qiáng)大。

三、Mentor公司的BORDSTATIONG和EE,其中BOARDSTATION由于只適用于UNIX系統(tǒng)，不是為PC機(jī)設(shè)計(jì)，所以使用的人較少；當(dāng)前MentorEE版本為Mentor EE 7.9和Cadence spb屬于同級(jí)別的PCB設(shè)計(jì)軟件，它有些地方比cadence spb差，它的強(qiáng)項(xiàng)是拉線、飛線，人稱飛線王。

四、EAGLE Layout這是歐洲使用最廣泛的PCB設(shè)計(jì)軟件。　上述所說(shuō)PCB設(shè)計(jì)軟件，用的比較多的，Cadence spb和MentorEE 是里面當(dāng)之無(wú)愧的王者。　如果是初學(xué)設(shè)計(jì)PCB我覺得Cadencespb 比較好，它可以給設(shè)計(jì)者養(yǎng)成一個(gè)良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，而且能保證良好的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

相關(guān)技巧

設(shè)置技巧

設(shè)計(jì)在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局；

對(duì)于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對(duì)于電阻電容和電感等無(wú)源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對(duì)齊和布局的美觀。

PCB布局規(guī)則：

1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過(guò)密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。

2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個(gè)版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。

3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。

4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時(shí)，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。

布局技巧

在PCB的布局設(shè)計(jì)中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

1、按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

2、以每個(gè)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

設(shè)計(jì)步驟

布局設(shè)計(jì)

在PCB中，特殊的元器件是指高頻部分的關(guān)鍵元器件、電路中的核心元器件、易受干擾的元器件、帶高壓的元器件、發(fā)熱量大的元器件，以及一些異性元器 件，這些特殊元器件的位置需要仔細(xì)分析，做帶布局合乎電路功能的要求及生產(chǎn)的需求。不恰當(dāng)?shù)姆胖盟麄兛赡墚a(chǎn)生電路兼容問(wèn)題、信號(hào)完整性問(wèn)題，從而導(dǎo)致 PCB設(shè)計(jì)的失敗。

在設(shè)計(jì)中如何放置特殊元器件時(shí)首先考慮PCB尺寸大小?？煲踪?gòu)指出pcb尺寸過(guò)大時(shí)，印刷線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；過(guò)小時(shí)，散熱不好，且臨近線條容易受干擾。在確定PCB的尺寸后，在確定特殊元件的擺方位置。最后，根據(jù)功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。特殊元器件的位置在布局時(shí)一般 要遵守以下原則：

1、盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

2一些元器件或?qū)Ь€有可能有較高的電位差，應(yīng)加大他們的距離，以免放電引起意外短路。高電壓的元器件應(yīng)盡量放在手觸及不到的地方。

3、重量超過(guò)15G的元器件，可用支架加以固定，然后焊接。那些又重又熱的元器件，不應(yīng)放到電路板上，應(yīng)放到主機(jī)箱的底版上，且考慮散熱問(wèn)題。熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。

4、對(duì)與電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整塊板子的結(jié)構(gòu)要求，一些經(jīng)常用到的開關(guān)，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。

一個(gè)產(chǎn)品的成功，一是要注重內(nèi)在質(zhì)量。而是要兼顧整體的美觀，兩者都比較完美的板子，才能成為成功的產(chǎn)品。

放置順序

1、放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的元器件，如電源插座、指示燈、開關(guān)、連接器等。

2、放置特殊元器件，如大的元器件、重的元器件、發(fā)熱元器件、變壓器、IC等。

3、放置小的元器件。

布局檢查

1、電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。

2、元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經(jīng)全部布完。

3、各個(gè)層面有無(wú)沖突。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。

3、常用到的元器件是否方便使用。如開關(guān)、插件板插入設(shè)備、須經(jīng)常更換的元器件等。

4、熱敏元器件與發(fā)熱元器件距離是否合理。

5、散熱性是否良好。

6、線路的干擾問(wèn)題是否需要考慮。

基本概念

少用過(guò)孔

一旦選用了過(guò)孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過(guò)孔不相連的線與過(guò)孔的間隙，如果是自動(dòng)布線，可在“過(guò)孔數(shù)量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項(xiàng)來(lái)自動(dòng)解決。（2）需要的載流量越大，所需的過(guò)孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過(guò)孔就要大一些。

絲印層

Overlay

為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標(biāo)志圖案和文字代號(hào)等，例如元件標(biāo)號(hào)和標(biāo)稱值、元件外廓形狀和廠家標(biāo)志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設(shè)計(jì)絲印層的有關(guān)內(nèi)容時(shí)，只注意文字符號(hào)放置得整齊美觀，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們?cè)O(shè)計(jì)的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區(qū)域被抹賒，還有的把元件標(biāo)號(hào)打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計(jì)都將會(huì)給裝配和維修帶來(lái)很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：“不出歧義，見縫插針，美觀大方”。

SMD封裝

特殊性

Protel封裝庫(kù)內(nèi)有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類元件的有關(guān)文字標(biāo)注只能隨元件所在面放置。

填充區(qū)

網(wǎng)格狀填充區(qū)（External Plane ）和填充區(qū)（Fill）

正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò)狀填充區(qū)是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區(qū)僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設(shè)計(jì)過(guò)程中在計(jì)算機(jī)上往往看不到二者的區(qū)別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區(qū)別，所以使用時(shí)更不注意對(duì)二者的區(qū)分，要強(qiáng)調(diào)的是，前者在電路特性上有較強(qiáng)的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區(qū)域當(dāng)做屏蔽區(qū)、分割區(qū)或大電流的電源線時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線端部或轉(zhuǎn)折區(qū)等需要小面積填充的地方。

焊盤

Pad

焊盤是PCB設(shè)計(jì)中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設(shè)計(jì)中千篇一律地使用圓形焊盤。選擇元件的焊盤類型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫(kù)中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對(duì)發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤，可自行設(shè)計(jì)成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤的設(shè)計(jì)中，不少?gòu)S家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：

（1）形狀上長(zhǎng)短不一致時(shí)要考慮連線寬度與焊盤特定邊長(zhǎng)的大小差異不能過(guò)大；

（2）需要在元件引角之間走線時(shí)選用長(zhǎng)短不對(duì)稱的焊盤往往事半功倍；

（3）各元件焊盤孔的大小要按元件引腳粗細(xì)分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0.2- 0.4毫米。

PCB放置焊盤：

1 .放置焊盤的方法

可以執(zhí)行主菜單中命令 Place/Pad ，也可以用組件放置工具欄中的 Place Pad 按鈕。

進(jìn)入放置焊盤（ Pad ）狀態(tài)后，鼠標(biāo)將變成十字形狀，將鼠標(biāo)移動(dòng)到合適的位置上單擊就完成了焊盤的放置。

2 .焊盤的屬性設(shè)置

焊盤的屬性設(shè)置有以下兩種方法：

● 在用鼠標(biāo)放置焊盤時(shí)，鼠標(biāo)將變成十字形狀，按 Tab 鍵，將彈出 Pad （焊盤屬性）設(shè)置對(duì)話框。

7-24 焊盤屬性設(shè)置對(duì)話框

● 對(duì)已經(jīng)在 PCB 板上放置好的焊盤，直接雙擊，也可以彈出焊盤屬性設(shè)置對(duì)話框。在焊盤屬性設(shè)置對(duì)話在框中有如下幾項(xiàng)設(shè)置：

● Hole Size ：用于設(shè)置焊盤的內(nèi)直徑大小。

● Rotation ：用一設(shè)置焊盤放置的旋轉(zhuǎn)角度。

● Location ：用于設(shè)置焊盤圓心的 x 和 y 坐標(biāo)的位置。

● Designator 文本框：用于設(shè)置焊盤的序號(hào)。

● Layer 下拉列表：從該下拉列表中可以選擇焊盤放置的布線層。

● Net 下拉列表：該下拉列表用于設(shè)置焊盤的網(wǎng)絡(luò)。

● Electrical Type 下拉列表：用于選擇焊盤的電氣特性。該下拉列表共有 3 種選擇方式： Load （節(jié)點(diǎn)）、 Source （源點(diǎn)）和 Terminator （終點(diǎn)）。

● Testpoint 復(fù)選項(xiàng)：用于設(shè)置焊盤是否作為測(cè)試點(diǎn)，可以做測(cè)試點(diǎn)的只有位于頂層的和底層的焊盤。

● Locked 復(fù)選項(xiàng)：選中該復(fù)選項(xiàng)，表示焊盤放置后位置將固定不動(dòng)。

● Size and Shape 選項(xiàng)區(qū)域：用于設(shè)置焊盤的大小和形狀

● X-Size 和 Y-Size ：分別設(shè)置焊盤的 x 和 y 的尺寸大小。

● Shape 下拉列表：用于設(shè)置焊盤的形狀，有 Round （圓形）、 Octagonal （八角形）和 Rectangle

（長(zhǎng)方形）。

● Paste Mask Expansions 選項(xiàng)區(qū)域：用于設(shè)置助焊層屬性。

● Solder Mask Expansions 選項(xiàng)區(qū)域：用于設(shè)置阻焊層屬性。 [1] abc

各類膜

Mask

這些膜不僅是PcB制作工藝過(guò)程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類。顧名思義，助焊膜是涂于焊盤上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應(yīng)波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫?？梢?，這兩種膜是一種互補(bǔ)關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中

類似“solder Mask En1argement”等項(xiàng)目的設(shè)置了。

飛線

有兩重含義

自動(dòng)布線時(shí)供觀察用的類似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò)連線，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表調(diào)入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò)連線的交叉狀況，不斷調(diào)整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線的布通率。這一步很重要，可以說(shuō)是磨刀不誤砍柴功，多花些時(shí)間，值！另外，自動(dòng)布線結(jié)束，還有哪些網(wǎng)絡(luò)尚未布通，也可通過(guò)該功能來(lái)查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò)之后，可用手工補(bǔ)償，實(shí)在補(bǔ)償不了就要用到”飛線“的第二層含義，就是在將來(lái)的印板上用導(dǎo)線連通這些網(wǎng)絡(luò)。要交待的是，如果該電路板是大批量自動(dòng)線生產(chǎn)，可將這種飛線視為0歐阻值、具有統(tǒng)一焊盤間距的電阻元件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

印刷電路板（Printed circuit board，PCB）幾乎會(huì)出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備當(dāng)中。如果在某樣設(shè)備中有電子零件，那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外，PCB的主要功能是提供上頭各項(xiàng)零件的相互電氣連接。隨著電子設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，需要的零件越來(lái)越多，PCB上頭的線路與零件也越來(lái)越密集了。標(biāo)準(zhǔn)的PCB長(zhǎng)得就像這樣。裸板（上頭沒(méi)有零件）也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring Board（PWB）」。

板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細(xì)小線路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過(guò)程中部分被蝕刻處理掉，留下來(lái)的部分就變成網(wǎng)狀的細(xì)小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線（conductor pattern）或稱布線，并用來(lái)提供PCB上零件的電路連接。

為了將零件固定在PCB上面，我們將它們的接腳直接焊在布線上。在最基本的PCB（單面板）上，零件都集中在其中一面，導(dǎo)線則都集中在另一面。這么一來(lái)我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過(guò)板子到另一面，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因?yàn)槿绱耍琍CB的正反面分別被稱為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）。

如果PCB上頭有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去，那么該零件安裝時(shí)會(huì)用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，零撥插力式）插座，它可以讓零件（這里指的是CPU）可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來(lái)。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零件后將其固定。

如果要將兩塊PCB相互連結(jié)，一般我們都會(huì)用到俗稱「金手指」的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線的一部分。通常連接時(shí)，我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴(kuò)充槽Slot）。在計(jì)算機(jī)中，像是顯示卡，聲卡或是其它類似的界面卡，都是借著金手指來(lái)與主機(jī)板連接的。

PCB上的綠色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護(hù)層，可以保護(hù)銅線，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì)印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）。通常在這上面會(huì)印上文字與符號(hào)（大多是白色的），以標(biāo)示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)面（legend）。

PCB打樣

PCB的中文名稱為印制電路板又稱印刷電路板、印刷線路板是重要的電子部件是電子元器件的支撐體？是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的故被稱為”印刷“電路板。

PCB打樣就是指印制電路板在批量生產(chǎn)前的試產(chǎn)主要應(yīng)用為電子工程師在設(shè)計(jì)好電路？并完成PCB Layout之后向工廠進(jìn)行小批量試產(chǎn)的過(guò)程即為PCB打樣。而PCB打樣的生產(chǎn)數(shù)量一般沒(méi)有具體界線一般是工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)未完成確認(rèn)和完成測(cè)試之前都稱之為PCB打樣。

轉(zhuǎn)換器

高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （High speed ADC） 通常是模擬前端PCB電路系統(tǒng)里最基本的組成組件。由于模擬/數(shù)字元轉(zhuǎn)換器的性能決定系統(tǒng)的整體效能表現(xiàn)，因此系統(tǒng)制造商往往將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器視為最重要的組件。本文將詳細(xì)介紹超音波系統(tǒng)前端的運(yùn)作原理，并特別討論模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器在其中所發(fā)揮的作用。

在PCB設(shè)計(jì)超音波系統(tǒng)的前端PCB電路時(shí)，制造商必須審慎考慮幾項(xiàng)重要因素，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩?。醫(yī)務(wù)人員能否作出正確的診斷，乃取決于模擬PCB電路在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中關(guān)鍵性的作用。

模擬PCB電路的表現(xiàn)則取決于許多不同的參數(shù)，其中包括通道之間的串音干擾、無(wú)雜散訊號(hào)動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR） 以及總諧波失真。因此制造商在決定選用何種模擬PCB電路之前，必須詳細(xì)考慮這些參數(shù)。

以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例來(lái)說(shuō)，如果加設(shè)串行 LVDS 驅(qū)動(dòng)器等先進(jìn)PCB電路，便可縮小PCB電路板，以及抑制電磁波等噪聲的干擾，有助于進(jìn)一步改善系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)。微型化、高效能及功能齊備的超音波系統(tǒng)產(chǎn)品的制造，造成市場(chǎng)上持續(xù)要求生產(chǎn)低耗電模擬IC，使其具備與放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和小封裝的更佳整合。

系統(tǒng)概述

超音波影像系統(tǒng)是目前最常用而又最精密的訊號(hào)處理儀器，可協(xié)助醫(yī)務(wù)人員作出正確診斷。在超音波系統(tǒng)的前端，采用極度精密的模擬訊號(hào)處理PCB電路，像是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及低噪聲放大器（LNA）等，而這些模擬PCB電路的表現(xiàn)是決定系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素。

超音波設(shè)備非常接近于雷達(dá)或聲納系統(tǒng)，只不過(guò)是在不同的頻率帶（范圍）中操作。 雷達(dá)操作于GHz（千兆赫）的范圍中，聲納在kHz（千赫）的范圍內(nèi)，而超音波系統(tǒng)則在MHz（兆赫）范圍內(nèi)操作。 這些設(shè)備的原理幾乎與商業(yè)和軍用航空器所用的－數(shù)組天線雷達(dá)系統(tǒng)操作模式相同。雷達(dá)系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)者是使用相控操縱波束形成器數(shù)組為原理，這些原理后來(lái)也被超音波系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)者采用并加以改進(jìn)。

在所有超音波系統(tǒng)儀器中，都有一個(gè)多元轉(zhuǎn)換器在相對(duì)較長(zhǎng)的電纜（大約2公尺）的末端。電纜內(nèi)含高達(dá) 256 條微型同軸電纜，是超音波系統(tǒng)內(nèi)最昂貴的組件之一。超音波系統(tǒng)一般會(huì)配備多個(gè)不同的轉(zhuǎn)換器探頭，讓負(fù)責(zé)操作的醫(yī)務(wù)人員可以依掃描影像的現(xiàn)場(chǎng)需求來(lái)選擇適用的轉(zhuǎn)換器。

影像的產(chǎn)生

掃描過(guò)程的第一步，每一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)產(chǎn)生脈沖訊號(hào)，并將訊號(hào)傳送出去。傳送出去的脈沖訊號(hào)以高頻率的聲波形式穿過(guò)人體組織，聲波的傳送速度一般介于1至20MHz之間。這些脈沖訊號(hào)開始在人體內(nèi)進(jìn)行定時(shí)和定標(biāo)偵測(cè)。當(dāng)訊號(hào)穿越身體的組織時(shí)，其中部分聲波會(huì)反射回轉(zhuǎn)換器模塊，并由轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)偵測(cè)這些回波的電位（轉(zhuǎn)換器將訊號(hào)傳送出去之后，會(huì)立即進(jìn)行切換，改用接收模式）?；夭ㄓ嵦?hào)的強(qiáng)度取決于回波訊號(hào)反射點(diǎn)在人體內(nèi)的位置。直接從皮下組織反射回來(lái)的訊號(hào)一般都極強(qiáng)，而從人體內(nèi)深入部位反射回來(lái)的訊號(hào)則極微弱。

由于健康安全相關(guān)法律對(duì)人體可以承受的最大輻射量有所規(guī)定，因此工程師PCB設(shè)計(jì)的電子接收系統(tǒng)必須極為靈敏。接近于人體表皮的病癥區(qū)，我們稱之為近場(chǎng) （near field），被反射回來(lái)的能量是高的。 但是如果病癥區(qū)在人體內(nèi)的深處部位，稱之為遠(yuǎn)場(chǎng) （far field），接收到的回波將極為微弱，因此必須被放大為1000倍或以上。

在遠(yuǎn)場(chǎng)影像的模式時(shí)，其效能限制來(lái)自于接收鏈路中存在的所有噪聲。轉(zhuǎn)換器/電纜組件以及接收系統(tǒng)的低噪聲放大器是兩個(gè)最大的外來(lái)噪聲源。 而近場(chǎng)影像模式下，效能限制則是來(lái)自于輸入訊號(hào)的大小。 這兩種訊號(hào)之間的比率決定了超音波儀器的動(dòng)態(tài)范圍。

通過(guò)一系列接收器的時(shí)相轉(zhuǎn)換、振幅調(diào)整以及智能型累計(jì)回波能量等過(guò)程，既可以獲得高清晰度的影像。利用轉(zhuǎn)換器數(shù)組的時(shí)移與調(diào)整接收訊號(hào)振幅的原理可以使設(shè)備具有定點(diǎn)觀測(cè)掃描部位的功能。經(jīng)過(guò)序列化的不同部位定位觀測(cè)，超音波儀器即可建立一個(gè)組合影像。

數(shù)字聚波可以完成訊號(hào)的組合處理。在數(shù)字聚波中，經(jīng)由身體內(nèi)某一點(diǎn)反射回來(lái)的回波脈沖訊號(hào)會(huì)在每一信道內(nèi)先儲(chǔ)存起來(lái)，然后按照其先后次序排列一起，并將之固定成為同調(diào)訊號(hào)，然后聚集起來(lái)。這種將多個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出聚集一起的處理方法可以提高增益，因?yàn)樾诺纼?nèi)的噪聲是互不相關(guān)的。（備注：模擬聚波技術(shù)基本已經(jīng)成為過(guò)時(shí)的方法，現(xiàn)代所采用的大部分為數(shù)字聚波）。影像的形成，是于最接近轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的仿真層取樣，將其存儲(chǔ)起來(lái)，再以數(shù)字化把它們聚集在一起而成。

DBF 系統(tǒng)需要精確的信道與信道匹配。兩信道均需要VGA（視頻圖形數(shù)組），這種情況將會(huì)持續(xù)，直到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)備足夠應(yīng)付大的動(dòng)態(tài)范圍，并可以提供合理的成本和低耗電量。

影像模式

1. 灰度影像 -- 產(chǎn)生基本的黑白圖像

影像將被辨析成1毫米那么小的單位，呈現(xiàn)的影像是由發(fā)射能量以及檢測(cè)那些返回的能量而成 （如先前所述）。

2. 多普勒影像（Doppler）-- 多普勒模式 （Doppler mode） 是通過(guò)跟蹤回波的頻率偏移來(lái)探測(cè)物體在各種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的速度。這些原理被應(yīng)用在檢查體內(nèi)血液或者其它液體在體內(nèi)流動(dòng)的情形。這種技術(shù)是透過(guò)發(fā)射一連串聲波進(jìn)入體內(nèi)，然后對(duì)反射波進(jìn)行快速傅利葉轉(zhuǎn)換（Fourier Transform, FFT）處理。這種計(jì)算處理方法即可確定來(lái)自人體的訊號(hào)頻率分量，以及它們與流體速度的關(guān)系。

3.靜脈和動(dòng)脈模式 -- 這種方式是將多普勒影像與灰度模式的聯(lián)合應(yīng)用。通過(guò)處理多普勒位移產(chǎn)生的音效訊號(hào)即可獲得速率與節(jié)律。

設(shè)計(jì)步驟

電路原理圖的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)的好壞直接決定后面PCB設(shè)計(jì)的效果。一般來(lái)說(shuō)，電路原理圖的設(shè)計(jì)如下。

具體設(shè)計(jì)的步驟：

第一步，啟動(dòng)ProtelDXP原理圖編輯器

第二步，設(shè)置電路原理圖的大小與版面

第三步，從元件庫(kù)取出所需元件放置在工作平面

第四步，根據(jù)設(shè)計(jì)需要連接元器件

第五步，對(duì)布線后的元器件進(jìn)行調(diào)整

第六步，保存已繪好的原理圖文檔

第七步，打印輸出圖紙

主要流程

在PCB設(shè)計(jì)中，其實(shí)在正式布線前，還要經(jīng)過(guò)很漫長(zhǎng)的步驟，以下就是PCB設(shè)計(jì)主要的流程：

系統(tǒng)規(guī)格

首先要先規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運(yùn)作情形等等。

功能區(qū)塊

接下來(lái)必須要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標(biāo)示出來(lái)。

將系統(tǒng)分割幾個(gè)PCB 將系統(tǒng)分割數(shù)個(gè)PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統(tǒng)具有升級(jí)與交換零件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。像是計(jì)算機(jī)就可以分成主機(jī)板、顯示卡、聲卡、軟盤驅(qū)動(dòng)器和電源等等。

決定使用封裝方法，和各PCB的大小 當(dāng)各PCB使用的技術(shù)和電路數(shù)量都決定好了，接下來(lái)就是決定板子的大小了。如果PCB設(shè)計(jì)的過(guò)大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí)，也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。

注意事項(xiàng)

（1）避免在PCB邊緣安排重要的信號(hào)線，如時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)等。

（2）機(jī)殼地線與信號(hào)線間隔至少為4毫米；保持機(jī)殼地線的長(zhǎng)寬比小于5:1以減少電感效應(yīng)。

（3）已確定位置的器件和線用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動(dòng)。

（4）導(dǎo)線的寬度最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制線路中，導(dǎo)線寬度和間距一般可取12mil。

（5）在DIP封裝的IC腳間走線，可應(yīng)用10－10與12－12原則，即當(dāng)兩腳間通過(guò)2根線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為50mil、線寬與線距都為10mil，當(dāng)兩腳間只通過(guò)1根線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為64mil、線寬與線距都為12mil。

（6）當(dāng)焊盤直徑為1.5mm時(shí)，為了增加焊盤抗剝強(qiáng)度，可采用長(zhǎng)不小于1.5mm，寬為1.5mm和長(zhǎng)圓形焊盤。

（7）設(shè)計(jì)遇到焊盤連接的走線較細(xì)時(shí)，要將焊盤與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷開。

（8）大面積敷銅設(shè)計(jì)時(shí)敷銅上應(yīng)有開窗口，加散熱孔，并將開窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。

（9）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

特殊元件

1、高頻元件：高頻元件之間的連線越短越好，設(shè)法減小連線的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾，易受干擾的元件不能離得太近。隸屬于輸入和隸屬于輸出的元件之間的距離應(yīng)該盡可能大一些。

2、具有高電位差的元件：應(yīng)該加大具有高電位差元件和連線之間的距離，以免出現(xiàn)意外短路時(shí)損壞元件。為了避免爬電現(xiàn)象的發(fā)生，一般要求2000V電位差之間的銅膜線距離應(yīng)該大于2mm，若對(duì)于更高的電位差，距離還應(yīng)該加大。帶有高電壓的器件，應(yīng)該盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

3、重量太大的元件：此類元件應(yīng)該有支架固定，而對(duì)于又大又重、發(fā)熱量多的元件，不宜安裝在電路板上。

4、發(fā)熱與熱敏元件：注意發(fā)熱元件應(yīng)該遠(yuǎn)離熱敏元件。

規(guī)則裝配

在設(shè)計(jì)中，從PCB板的裝配角度來(lái)看，要考慮以下參數(shù)：

1）孔的直徑要根據(jù)最大材料條件（ MMC） 和最小材料條件（LMC） 的情況來(lái)決定。一個(gè)無(wú)支撐元器件的孔的直徑應(yīng)當(dāng)這樣選取，即從孔的MMC 中減去引腳的MMC ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之間。而且對(duì)于帶狀引腳，引腳的標(biāo)稱對(duì)角線和無(wú)支撐孔的內(nèi)徑差將不超過(guò)0.5mm ，并且不少于0.15mm。

2） 合理放置較小元器件，以使其不會(huì)被較大的元器件遮蓋。

3） 阻焊的厚度應(yīng)不大于0.05mm。

4） 絲網(wǎng)印制標(biāo)識(shí)不能和任何焊盤相交。

5） 電路板的上半部應(yīng)該與下半部一樣，以達(dá)到結(jié)構(gòu)對(duì)稱。因?yàn)椴粚?duì)稱的電路板可能會(huì)變彎曲。

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