硬件电路设计流程与方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
典型电路 主控制电路 数字量输入电路 数字量输出电路 模拟量输入电路 模拟量输出电路 光纤输入电路 光纤输出电路 脉冲功率放大电路 通讯电路 表1 某控制平台典型电路的设计需求 设计需求 I/O口数量、数据宽度、通讯方式、电源等 输入点数、额定输入电压、输入电流、噪声容限、是否隔离、隔离电压等 输出点数、额定负载电压、输出类型、输出节点容量等 输入类型与等级、精度要求、频率等级、输出类型等 输入位数、精度要求、输出类型、驱动能力等 传输带宽、频率、输出接口类型、逻辑关系等 输入接口类型、频率、传输带宽、输出接口类型、逻辑关系等 逻辑关系、驱动电源、驱动能力等 通讯接口、通讯协议、传输速率、ESD能力等
硬件电路设计流程与方法
The Processes and Methods of Hardware Circuit Design
湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院 余 娟
【摘要】硬件电路是电路系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接影响电路系统的性能。本文从分析硬件电路设计的各个阶段入手，阐述了设计硬件电路的一般 流程与方法，指出了其中应注意的问题及解决方法，对硬件设计具有一定的实用意义。 【关键词】硬件电路；原理图设计；PCB设计；设计需求 Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit,and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design. Keywords：Hardware circuit；Schematic design；PCB design；The design requirements
常用元器件 电阻 电容 发光二极管 稳压二极管 AD芯片 晶振 电源模块 数字IC 传感器 存储器 CPLD MCU或DSP 表2 常用元器件的关键参数 关注的参数 阻值、功率、误差、裕量等 容量、耐压值、工作频率、裕量等 正向电流、光体颜色、正向压降等 稳压值、稳定电流、精度、功率等 位数、采样速率、单/双极性、带宽、管脚定义、电源、串/并行、封装、典型电路等 频率范围、电源电压、工作电压、封装等 输入/输出类型、输出功率、稳压系数等 电源电压、逻辑关系、噪声容限等 输入/输出类型、精度、线性度等 电源电压、存储容量、最大时钟频率、访问速度、擦写次数、接口电路等 电源电压、逻辑单元数、管脚数、最大时钟频率、接口电路等 I/O口数量、片内ROM和RAM类型及大小、片上外设类型及数量、体积、功耗等
理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中 的。 3.PCB设计 PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件 电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试 性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建 产品的工艺、技术、质量和成本优势。 3.1 制作物理边框 封闭的物理边框是PCB设计的基本平台， 对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制 物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。 使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的 现象，也能避免尖脚划伤人员。 3.2 引入元器件和网络 引入元器件和网络是将原理图中的元器件 和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布 线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中 与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。 3.3 元器件布局 元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定 性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的 规则有： （1）元器件的放置顺序。先放置与电路 结构有关的需固定位置的元器件，如电源插 座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置 锁定，以免被误移动；再放置电路中的特殊元 器件，如发热元件、大体积元件、IC等；最后 放置小元件。 （2）元器件的安放位置。首先应考虑特 殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠 边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电 解电容；去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚， 并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次 应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流 的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分 开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低 频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的 连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的 电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小 出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局 应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常 传送。 （3）元器件的放置方向。在设计许可的 条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同 封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊 接、测试和返修。 3.4 电路板布线 合理的布线可以有效减少外部环境对信号 的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提 高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原 因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用 的规则有： （1）布线的位置。布线应尽量走在焊接 面；模拟部分和数字部分的地和电源应分开布
2.1 三极管BFG425W主要特性曲线 从图1、2中可以看出，BFG425W晶体管在 耗电流小的情况下也能具有较高的放大增益倍 数以及支持更广的频率范围。 2.2 三极管BFG425W应用于高频段低噪声 放大电路设计如图3所示：
2.2 绘制原理图 在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以 下问题： （1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电 路等。 （2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。 （3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出 必要的文字说明。 （4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。 （5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩 短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装﹥元器件面贴、插混装﹥双 面贴装﹥元器件面贴插混装、焊接面贴装。 （6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性 错误等。 （7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原
2.原理图设计 原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿 真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出 来。 2.1 元器件选型 元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影 响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。 在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，表2中给出了常用元器件选 型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。
引言 无线高频电路大多应用在小型设备和便携 式电子产品中，用于实现设备之间的无线连接 和信息交换。低噪声放大器是射频接收机前端 的主要组成部分。它主要有下面四个特点： （1）它位于接受机的最前端，噪声系数 越小越好，同时为了抑制后级噪声对系统的影 响，还要求有一定的增益，但是为使后面的混 频器不过载，它的增益又不能太大，因此要求 低噪声放大器在工作的频段是稳定的。 （2）接收端的信号是微弱的，所以低噪 声放大器必定是一个小信号线性放大器，又由 于受传输路径的影响，在接受信号时有可能伴 随着许多强干扰进入，因此要求放大器有足够 的线性范围，而且增益是可调的。 （3）低噪声放大器一般是通过传输线直 接和天线或天线滤波器相连，放大器必须与它 们有良好的匹配，以达到功率最大传输和具有 最小噪声系数，并且保证滤波器的性能。 （4）应具有选频功能，可抑制带外和镜 象频率干扰，因此它一定是频带放大器。 综 上所述，晶体管微波放大器的基本要求是低噪 声系数、足够的增益、工作稳定可靠、足够的 带宽和较大的动态范围等。 1.低噪声放大电路的性能指标分析 低噪声放大器基本由放大器件（微波晶体 管）、输入匹配网络、输出匹配网络组成。 1.1 噪声系数 噪声系数是指放大器的输入信噪比和输出 信噪比的比值。第一级放大器的噪声性能对整 个放大器的性能起决定性的作用，该放大器必 须能在宽频带内实现噪声匹配。一个晶体管， 当它的源端所接信号源的阻抗等于它所求的最 佳源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声 系数最小，这样才能得到更高灵敏度。 1.2 增益 放大器的增益与管子的跨导有关，跨导直 接由工作点的电流决定；其次，放大器的增益 还与负载有关。低噪声放大器是频带放大器， 它的选频功能由负载决定。低噪声放大器输出 端必须与滤波器相配，以保证滤波器的众多特 性，如插入损耗、带内波动以及带外衰减等。 1.3 线性度 采用差动输入方式，输入信号线性范围比 单管大。输出电流是两个管子输出电流之差， 线；大电流、高电压信号与小信号之间应注意 隔离；尽量少用过孔、跳线；布线也应留有足 够的工艺边。 （2）布线的宽度与长度。除地线外， 在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一 致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽 度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流 来计算，电源和地构成的环路应尽量小；由 于： l RDC () bd b：线宽，d：厚度，l：长度，因此在可 能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于
-117-
》 》
科研发展
科研发展
基于BFG425W的高频低噪声放大电路分析
天津恒达文博科技有限公司 袁希强
【摘要】接收机前端的低噪声放大器（LNA）对于整个通信设备的接收机系统灵敏度的影响非常重要，多数情况下有用信号都是非常微弱的，随着现代通信电子技术的发 展及手持无线终端的推广,迫切需要低噪声、高增益、低偏置、小体积的射频放大器以适应更小巧、接收性能更优越的无线电子设备。本文选用Philip公司的BFG425W双极 晶体管，主要从LNA电路的噪声分析及三极管基本特性入手讨论高频ISM频段的低噪声放大电路设计。 【关键词】灵敏度；低噪声放大器；BFG425W
源自文库
前言 随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简 单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬 件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。 硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶 段，本文主要阐述各阶段的设计流程与方法。 1.设计需求分析 硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核 心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、 功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如 表1所示。
可以抵消放大器非线性失真偶次谐波，进一步 扩大了放大器的线性范围。讨论放大器的线性 范围要考虑三个问题：一是线性范围和器件有 关，场效应管由于有平方律特性，因此它的线 性比双极好；二是和电路有关；三是输入端的 阻抗匹配网络也会影响到放大器的线性范围。 2.三极管BFG425W放大原理介绍 BFG425W是一款NPN双极型晶体管，具有低 电压、高增益、耗电少、可靠性高、低噪声放 大等优点，可以应用于900M、2.4G甚至更高频 段。
硬件电路设计流程与方法
The Processes and Methods of Hardware Circuit Design
湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院 余 娟
【摘要】硬件电路是电路系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接影响电路系统的性能。本文从分析硬件电路设计的各个阶段入手，阐述了设计硬件电路的一般 流程与方法，指出了其中应注意的问题及解决方法，对硬件设计具有一定的实用意义。 【关键词】硬件电路；原理图设计；PCB设计；设计需求 Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit,and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design. Keywords：Hardware circuit；Schematic design；PCB design；The design requirements
常用元器件 电阻 电容 发光二极管 稳压二极管 AD芯片 晶振 电源模块 数字IC 传感器 存储器 CPLD MCU或DSP 表2 常用元器件的关键参数 关注的参数 阻值、功率、误差、裕量等 容量、耐压值、工作频率、裕量等 正向电流、光体颜色、正向压降等 稳压值、稳定电流、精度、功率等 位数、采样速率、单/双极性、带宽、管脚定义、电源、串/并行、封装、典型电路等 频率范围、电源电压、工作电压、封装等 输入/输出类型、输出功率、稳压系数等 电源电压、逻辑关系、噪声容限等 输入/输出类型、精度、线性度等 电源电压、存储容量、最大时钟频率、访问速度、擦写次数、接口电路等 电源电压、逻辑单元数、管脚数、最大时钟频率、接口电路等 I/O口数量、片内ROM和RAM类型及大小、片上外设类型及数量、体积、功耗等
理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中 的。 3.PCB设计 PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件 电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试 性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建 产品的工艺、技术、质量和成本优势。 3.1 制作物理边框 封闭的物理边框是PCB设计的基本平台， 对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制 物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。 使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的 现象，也能避免尖脚划伤人员。 3.2 引入元器件和网络 引入元器件和网络是将原理图中的元器件 和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布 线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中 与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。 3.3 元器件布局 元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定 性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的 规则有： （1）元器件的放置顺序。先放置与电路 结构有关的需固定位置的元器件，如电源插 座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置 锁定，以免被误移动；再放置电路中的特殊元 器件，如发热元件、大体积元件、IC等；最后 放置小元件。 （2）元器件的安放位置。首先应考虑特 殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠 边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电 解电容；去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚， 并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次 应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流 的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分 开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低 频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的 连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的 电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小 出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局 应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常 传送。 （3）元器件的放置方向。在设计许可的 条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同 封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊 接、测试和返修。 3.4 电路板布线 合理的布线可以有效减少外部环境对信号 的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提 高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原 因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用 的规则有： （1）布线的位置。布线应尽量走在焊接 面；模拟部分和数字部分的地和电源应分开布
2.1 三极管BFG425W主要特性曲线 从图1、2中可以看出，BFG425W晶体管在 耗电流小的情况下也能具有较高的放大增益倍 数以及支持更广的频率范围。 2.2 三极管BFG425W应用于高频段低噪声 放大电路设计如图3所示：
2.2 绘制原理图 在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以 下问题： （1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电 路等。 （2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。 （3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出 必要的文字说明。 （4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。 （5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩 短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装﹥元器件面贴、插混装﹥双 面贴装﹥元器件面贴插混装、焊接面贴装。 （6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性 错误等。 （7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原
2.原理图设计 原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿 真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出 来。 2.1 元器件选型 元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影 响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。 在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，表2中给出了常用元器件选 型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。
引言 无线高频电路大多应用在小型设备和便携 式电子产品中，用于实现设备之间的无线连接 和信息交换。低噪声放大器是射频接收机前端 的主要组成部分。它主要有下面四个特点： （1）它位于接受机的最前端，噪声系数 越小越好，同时为了抑制后级噪声对系统的影 响，还要求有一定的增益，但是为使后面的混 频器不过载，它的增益又不能太大，因此要求 低噪声放大器在工作的频段是稳定的。 （2）接收端的信号是微弱的，所以低噪 声放大器必定是一个小信号线性放大器，又由 于受传输路径的影响，在接受信号时有可能伴 随着许多强干扰进入，因此要求放大器有足够 的线性范围，而且增益是可调的。 （3）低噪声放大器一般是通过传输线直 接和天线或天线滤波器相连，放大器必须与它 们有良好的匹配，以达到功率最大传输和具有 最小噪声系数，并且保证滤波器的性能。 （4）应具有选频功能，可抑制带外和镜 象频率干扰，因此它一定是频带放大器。 综 上所述，晶体管微波放大器的基本要求是低噪 声系数、足够的增益、工作稳定可靠、足够的 带宽和较大的动态范围等。 1.低噪声放大电路的性能指标分析 低噪声放大器基本由放大器件（微波晶体 管）、输入匹配网络、输出匹配网络组成。 1.1 噪声系数 噪声系数是指放大器的输入信噪比和输出 信噪比的比值。第一级放大器的噪声性能对整 个放大器的性能起决定性的作用，该放大器必 须能在宽频带内实现噪声匹配。一个晶体管， 当它的源端所接信号源的阻抗等于它所求的最 佳源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声 系数最小，这样才能得到更高灵敏度。 1.2 增益 放大器的增益与管子的跨导有关，跨导直 接由工作点的电流决定；其次，放大器的增益 还与负载有关。低噪声放大器是频带放大器， 它的选频功能由负载决定。低噪声放大器输出 端必须与滤波器相配，以保证滤波器的众多特 性，如插入损耗、带内波动以及带外衰减等。 1.3 线性度 采用差动输入方式，输入信号线性范围比 单管大。输出电流是两个管子输出电流之差， 线；大电流、高电压信号与小信号之间应注意 隔离；尽量少用过孔、跳线；布线也应留有足 够的工艺边。 （2）布线的宽度与长度。除地线外， 在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一 致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽 度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流 来计算，电源和地构成的环路应尽量小；由 于： l RDC () bd b：线宽，d：厚度，l：长度，因此在可 能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于
-117-
》 》
科研发展
科研发展
基于BFG425W的高频低噪声放大电路分析
天津恒达文博科技有限公司 袁希强
【摘要】接收机前端的低噪声放大器（LNA）对于整个通信设备的接收机系统灵敏度的影响非常重要，多数情况下有用信号都是非常微弱的，随着现代通信电子技术的发 展及手持无线终端的推广,迫切需要低噪声、高增益、低偏置、小体积的射频放大器以适应更小巧、接收性能更优越的无线电子设备。本文选用Philip公司的BFG425W双极 晶体管，主要从LNA电路的噪声分析及三极管基本特性入手讨论高频ISM频段的低噪声放大电路设计。 【关键词】灵敏度；低噪声放大器；BFG425W
源自文库
前言 随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简 单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬 件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。 硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶 段，本文主要阐述各阶段的设计流程与方法。 1.设计需求分析 硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核 心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、 功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如 表1所示。
可以抵消放大器非线性失真偶次谐波，进一步 扩大了放大器的线性范围。讨论放大器的线性 范围要考虑三个问题：一是线性范围和器件有 关，场效应管由于有平方律特性，因此它的线 性比双极好；二是和电路有关；三是输入端的 阻抗匹配网络也会影响到放大器的线性范围。 2.三极管BFG425W放大原理介绍 BFG425W是一款NPN双极型晶体管，具有低 电压、高增益、耗电少、可靠性高、低噪声放 大等优点，可以应用于900M、2.4G甚至更高频 段。