电子电路设计基本概念100问（四）【学习目标：原理图、PCB、阻抗设计、电子设计基本原则、基本原器件等】_电路板设计的毫米安培原则

笔者电子信息专业硕士毕业，获得过多次电子设计大赛、大学生智能车、数学建模国奖，现就职于南京某半导体芯片公司，从事硬件研发，电路设计研究。对于学电子的小伙伴，深知入门的不易，特开次博客交流分享经验，共同互勉！全套资料领取扫描文末二维码！

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温馨提示：学而不思则罔，思而不学则殆。实践是检验真理的唯一标准！

学习目标：

• 掌握原理图设计中的基本概念。

• 掌握PCB设计中的基本概念。

• 掌握PCB生产工艺的基本概念。

• 掌握阻抗设计的常规概念。

• 掌握电子设计中的一些基本原则。

• 掌握电子设计中基本电气元器件的功能。

1.52 为了方便后期维修，PCB上各类封装元器件的间距应该维持多少？

答：（1）BGA器件与外围其他元器件保持间距至少为3mm，有空间的情况下为5mm。

（2）QFN、QFP、PLCC、SOP器件之间保持间距为2.5mm。

（3）QFP、SOP器件与Chip、SOT器件之间保持间距为1mm。

（4）QFN、PLCC器件与Chip、SOT器件之间保持间距为2mm。

（5）PLCC表面贴装元器件脚座与其他元器件之间保持间距为3mm。

（6）插件器件正面（不需要焊接的面）与其他元器件保持间距为1.5mm。

（7）插件器件背面（焊接面）与其他元器件保持间距为3mm，最好插件器件里面不要放置贴片元器件，否则返修非常困难。（8）小的、矮的器件不要放在大的、高的器件中间。

1.53 PCB的组装工艺分为哪几种？

答：我们需要根据SMD（贴装）与THC（插装）在PCB上的布局来确认PCB的组装形式，不同的组装形式对应不同的工艺流程。PCB组装工艺如图1-35所示。

 图1-35 PCB组装工艺

1.54 什么是铜箔？铜箔的分类有哪些？

 答：铜箔其实是一种阴质性电解材料。铜箔是沉淀于电路板基底层上的一层薄的、连续的金属箔。铜箔作为一种PCB的导电体，容易黏合于绝缘层，接受印刷保护层，腐蚀后形成电路图样。铜箔具有低表面氧气特性，可以附着于各种不同基材，如金属、绝缘材料等，拥有较宽的温度使用范围。铜箔主要应用于电磁屏蔽及抗静电，将导电铜箔置于衬底面，结合金属基材，具有优良的导通性，并提供电磁屏蔽的效果。

1.55 铜箔的厚度与线宽/线距的关系是怎样的？

答：铜箔厚度与常规走线线宽/线距关系如图1-36所示。铜箔厚度与蛇形线线宽/线距关系如图1-37所示。

 图1-36 铜箔厚度与常规走线线宽/线距关系

 图1-37 铜箔厚度与蛇形线线宽/线距关系

1.56 什么叫作3W原则？☆☆☆

答：为保证信号走线的质量，不产生串扰，信号走线之间的间距应保持3倍线宽，这个间距指的是走线的中心到中心的间距，因为线宽英文是Width，所以这个规则通常就叫作3W原则。当走线的中心间距不少于3倍线宽时，可以保证70%的线间电场不互相干扰，如果信号需要达到98%的线间电场不互相干扰，可以使用10W规则。

3W原则是一种设计者无须其他设计技术就可以遵守的PCB布局原则。但这种设计方法占用了很多面积，可能会使布线更加困难。使用3W原则的基本出发点是使走线间的耦合最小。这种原则可表示为：走线的距离间隔（走线中心间的距离）必须是单一走线宽度的三倍。另一种表示是：两个走线的距离间隔必须大于单一走线宽度的二倍。比如，时钟线线宽为6mil，则其他走线只能在距这条走线2×6mil以外的地方布线，或者保证边到边的距离大于12mil。

1.57 什么叫作20H原则？

答：20H原则是指电源层相对地层内缩20H的距离，H表示电源层与地层的距离。当然也是为抑制边缘辐射效应。在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导，有效提高了EMC。若内缩20H，则可以将70%的电场限制在接地边沿内；若内缩100H，则可以将98%的电场限制在接地边沿内。

我们要求地平面大于电源或信号层，这样有利于防止对外辐射干扰和屏蔽外界对自身的干扰。一般情况下，在PCB设计时把电源层比地层内缩1mm基本上就可以满足20H的原则。

1.58 在PCB设计中如何体现3W与20H原则？☆☆☆

答：第一，3W原则，在PCB设计中很容易体现，保证走线与走线的中心间距为3倍的线宽即可。如走线的线宽为6mil，那么为了满足3W原则，在Cadence Allegro设置线到线的规则为12mil即可，软件中的间距是计算边到边的间距，如图1-38所示。

图1-38 PCB中3W原则示意图 

第二，20H原则，在PCB设计时，为了体现20H原则，一般在平面层分割的时候，将电源层比地层内缩1mm就可以了。然后在1mm的内缩带打上屏蔽地过孔，150mil一个，如图1-39所示。

图1-39 PCB中20H原则示意图 

1.59 什么叫作π型滤波？

答：我们通常所说的π型滤波，指的是π型滤波电路，如图1-40所示，L1、C1、C2共同构成了典型的LC滤波电路，其中电感L1可以用电阻进行替换。

 图1-40 π型滤波电路示意图

1.60 PCB设计中晶体的π型滤波应该怎么设计？

答：在晶体的电路设计中，一般都采用π型滤波来进行设计。晶体π型滤波电路示意图如图1-41所示。在后期进行PCB布局布线的时候，要注意以下几点：

图1-41 晶体π型滤波电路示意图 

• 布局整体紧凑，一般放置在主控的同一侧，靠近主控IC，尽量不要靠近板边。

• 布局时尽量使电容分支要短，目的是为了减小寄生电容。

• 晶振电路一般采用π型滤波形式，放置在晶振的前面。

• 晶体和晶振的布局要注意远离大功率的元器件、散热器等发热的器件。晶体π型滤波电路PCB布局布线示意图如图1-42所示。

图1-42 晶体π型滤波电路PCB布局布线示意图 

1.61 什么是差分信号？差分信号传输与单根信号传输的区别在哪里？

答：差分传输是一种信号传输技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法。差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。差分信号又称差模信号，是相对共模信号而言的。

1.62 什么是爬电间距？

答：沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间，在不同的使用情况下，由于导体周围的绝缘材料被电极化，导致绝缘材料呈现带电现象，此带电区的半径即为爬电间距。

1.63 PCB中信号线分为哪几类？区别在哪里？

答：PCB中的信号线分为两种，一种是微带线，一种是带状线。

微带线：是走在表面层（Microstrip）、附在PCB表面的带状走线，如图1-43所示，蓝色部分是导体，绿色部分是PCB的绝缘电介质，上面的蓝色小块儿是微带线（Microstrip Line）。由于微带线的一面裸露在空气里，可以向周围形成辐射或受到周围的辐射干扰，而另一面附在PCB的绝缘电介质上，所以它形成的电场一部分分布在空中，另一部分分布在PCB的绝缘介质中。但是，微带线中的信号传输速度比带状线（Stripline）中的信号传输速度快，这是其突出的优点。

图1-43 微带线示意图

w—线宽；t—铜厚；h—介质厚度

带状线：走在内层（Stripline/Double Stripline）、埋在PCB内部的带状走线，如图1-44所示，蓝色部分是导体，绿色部分是PCB的绝缘电介质，带状线是嵌在两层导体之间的带状导线。因为带状线是嵌在两层导体之间的，所以它的电场分布都在两个包裹它的导体（平面）之间，不会辐射出去能量，也不会受到外部的辐射干扰。但是由于它的周围全是电介质（介电常数大于1），所以信号在带状线中的传输速度比在微带线中的慢。

 图1-44 带状线示意图

w—线宽；t—铜厚；b—整个绝缘体的厚度

1.64 什么叫作EMC？

答：EMC是Electro Magnetic Compatibility的缩写，就是电磁兼容性，是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。传感器电磁兼容性是指传感器在电磁环境中的适应性，保持其固有性能、完成规定功能的能力。它包含两个方面要求：一方面要求传感器在正常运行过程中对所在环境产生电磁干扰不能超过一定限值；另一方面要求传感器对所在环境中存在电磁干扰具有一定程度抗扰度。

1.65 形成EMC的三要素是什么？

答：EMC电磁干扰是电子产品困扰电子工程师的一大难题，为了解决电子产品设计中EMC的问题，我们必须先要弄清楚电磁干扰问题是怎么形成的。

EMC问题形成的三要素为：

• 电磁干扰源。

• 耦合途径或者传播途径。

• 敏感设备。

EMC三要素之间的关系如图1-45所示。

图1-45 EMC三要素之间的关系 

1.66 抑制EMC的方法有哪些？

答：在PCB设计中，抑制EMC问题主要从以下几个方面入手：屏蔽、滤波、合理接地、合理布局。但是，随着电子系统日益的集成化、综合化，采取以上几个方面的措施往往会跟产品的成本、质量、功能要求等发生矛盾，所以我们要权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性的要求。

电磁兼容控制策略与控制技术方案可分为如下几类：

（1）传输通道抑制：具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、布线。

（2）空间分离：地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。

（3）时间分隔：时间公用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。

（4）频率管理：频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光电转换。

（5）电气隔离：变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换。

1.67 电子设计中为什么要区分模拟地与数字地？

答：简单来说，数字地是数字电路部分的公共基准端，即数字电压信号的基准端；模拟地是模拟电路部分的公共基准端，即模拟信号的电压基准端（零电位点）。

数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开，数字信号中的谐波很容易干扰到模拟信号的波形。当模拟信号为高频或强电信号时，也会影响到数字电路的正常工作。模拟电路涉及弱小信号，但是数字电路门限电平较高，对电源的要求就比模拟电路低些。既有数字电路又有模拟电路的系统中，数字电路产生的噪声会影响模拟电路，使模拟电路的小信号指标变差，克服的办法是分开模拟地和数字地。

存在问题的根本原因是，无法保证电路板上铜箔的电阻为零。在接入点将数字地和模拟地分开，就是为了将数字地和模拟地的共地电阻降到最小。

 1.68 PCB设计中区分模拟地与数字地的设计方法有哪些？

答：一般处理模拟地、数字地的方法有以下几种：

• 直接分开，在原理图中将数字区域的地连接为DGND，模拟区域的地连接为AGND，然后PCB中的地平面分割为数字地与模拟地，并把间距拉大。

• 数字地与模拟地之间用磁珠连接。• 数字地与模拟地之间用电容连接，运用电容隔直通交的原理。

• 数字地与模拟地之间用电感连接，电感值从几μH到几十μH不等。

• 数字地与模拟地之间用0欧姆电阻连接。

简单地说，电容隔直通交，造成浮地。电容不通直流，会导致压差和静电积累，摸机壳会麻手。如果把电容和磁珠并联，就是画蛇添足，因为磁珠通直，电容将失效。串联的话就显得不伦不类。

电感体积大，杂散参数多，特性不稳定，离散分布参数不好控制。电感也是陷波，LC谐振（分布电容），对噪点有特效。

磁珠的等效电路相当于带阻陷波器，只对某个频点的噪声有抑制作用。如果不能预知噪点，就很难选择型号，况且噪点频率也不一定固定，故磁珠不是一个好的选择。

0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用（0欧电阻也有阻抗），这点比磁珠强。

总之，关键是模拟地和数字地要一点接地。建议：不同种类地之间用0欧电阻相连；电源引入高频器件时用磁珠；高频信号线耦合用小电容；电感用在大功率低频上。

1.69 PCB常用的Silkscreen、Soldermask、Pastmask的含义是什么？

答：Silkscreen是指PCB设计中的丝印，包括TOP与BOOTOM面的丝印，正反面的丝印刚好是镜像过的。丝印一般包括器件的外框丝印线、IC器件的1管脚标识、位号字符、有极性器件的极性标识。

Soldermask是指PCB设计中的阻焊，包括TOP与BOOTOM面的阻焊，特别要注意这个是反显层，有表示无，无表示有。就是PCB板上焊盘（表面贴焊盘、插件焊盘、过孔）外一层涂了绿油的地方，它是为了防止在PCB过锡炉（波峰焊）的时候，不该上锡的地方上锡，所以称为阻焊层（绿油层）。Soldermask是要把PAD露出来，这就是我们在只显示Soldermask时看到的小圆圈或小方圈比焊盘大的原因（Solder是指阻焊层，就是用它来涂敷绿油等阻焊材料，从而防止在不需要焊接的地方沾染焊锡，这层会露出所有需要焊接的焊盘，并且开孔会比实际焊盘大）。在生成Gerber文件时，可以观察Soldermask层的实际效果。在Soldermask层（有Topsolder和Bottomsolder）上画个矩形，那么这个矩形框内就等于开了个窗口。Soldermask就是涂绿油、蓝油或红油，除了焊盘、过孔等不能涂（涂了就不能上焊锡），其他部位都要涂上阻焊剂。阻焊剂有绿色、蓝色或红色。在画Cadence焊盘时，Soldermask要比Regularpad大0.15mm（6mil）。

Pastmask是指PCB设计中的钢网，包括TOP面与BOOTOM面的钢网，这个是正显，有就是有，无就是无，是针对SMD的。该层用来制作钢网（片），而钢网上的孔对应着电路板上的SMD的焊点。在表面贴装器件焊接时，先将钢网盖在电路板上（与实际焊盘对应），然后将锡膏涂上，用刮片将多余的锡膏刮去，移除钢网，这样SMD的焊盘就加上了锡膏，之后将SMD贴附到锡膏上面去（手工或贴片机），最后通过回流焊机完成SMD的焊接。通常钢网上孔径的大小会比电路板上实际的小一些，通过指定一个扩展规则，来放大或缩小锡膏防护层。对于不同焊盘的不同要求，也可以在锡膏防护层中设定多重规则，系统也提供2个锡膏防护层，分别是顶层锡膏防护层（Top Paste）和底层锡膏防护层（Bottom Paste），在Paste Mask layers（有Top Paste和Bottom Paste）上画个矩形，那么这个矩形框内就等于开了个窗口，机器就在此窗口内喷上焊锡了。其实就是钢网开了个窗，过波峰焊就上锡了。

1.70 通常所说的0402、0603、0805、1206是怎么计算的？

答：这些常规贴片阻容感的封装有9种，用两种尺寸代码来表示：一种尺寸代码是由4位数字表示的EIA（美国电子工业协会）代码，前两位与后两位分别表示电阻的长和宽，单位为英寸（in）。我们常说的0603封装就是指英制代码；另一种是米制代码，也由4位数字表示，其单位为毫米（mm）。常规贴片阻容感封装尺寸示意图与尺寸规格如图1-46和表1-3所示。我们经常说的封装尺寸，像0402、0603等都是指英制尺寸。

 图1-46 常规贴片阻容感封装尺寸示意图

表1-3 常规贴片阻容感封装尺寸规格

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