电子电路设计基本概念100问（六）【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】

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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1.85 什么是DC-DC电路？

答：DC-DC电路，指的是直流/直流转换电路，主要的目的就是为了电压的变换，通过开关变换的方式将直流变换成直流的电路，就被称为DC-DC电路。

DC-DC电路必须有调整管，调整管工作于开关状态或者是线性放大状态就决定了其工作方式。

DC-DC电路的应用领域很广泛，主要包括数字电路、电子通信设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷达、消防设备和医疗器械教学设备等领域。

DC-DC电路的优点有很多，如功耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化功能强等。

DC-DC电路可以分为以下三类：

• Buck Converter，降压型DC-DC电路。

• Boost Converter，升压型DC-DC电路。

• Buck-Boost Converter，降压升压型DC-DC电路。

1.86 什么是LDO电路？

答：LDO（Low Dropout Regulator），是一种低压差线性稳压器，使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右。与之相比，使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。负输出LDO使用NPN作为它的传递设备，其运行模式与正输出LDO的PNP设备类似。更新的发展使用功率MOS，它能够提供最低的压降电压。使用功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

LDO的成本低，噪声低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新型的LDO可达到以下指标：输出噪声为30μV，PSRR为60dB，静态电流为6μA（TI的TPS78001达到Iq=0.5µA），电压降只有100mV（TI量产了号称0.1mV的LDO）。 LDO的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管使用的是P沟道MOSFET，而普通的低压差线性稳压器使用的是PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了元器件本身消耗的电流。另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。

LDO的四大关键数据是压差（Dropout）、噪声（Noise）、电源抑制比（PSRR）、静态电流（Iq），所以在选择应用LDO时应尽量结合这四大要素进行选择。

1.87 什么是0欧姆电阻？它的作用有哪些？

答：0欧姆电阻又称为跨接电阻器，是一种特殊用途的电阻，0欧姆电阻并非真正的阻值为0，0欧姆电阻实际是电阻值很小的电阻。正因为有阻值，也就和常规贴片电阻一样有误差精度这个指标。电路板设计中两点不能用印制电路连接，常在正面用跨线连接，这在普通板中经常看到，为了让自动贴片机和自动插件机正常工作，用0欧姆电阻代替跨线。

0欧姆电阻的作用如下：

• 在电路中没有任何功能，只是出于在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。

• 可作跳线使用，避免用跳针造成的高频干扰（成为天线）。

• 在匹配电路参数不确定时，以0欧姆电阻代替，实际调试的时候，再以具体数值的元件代替。

• 0欧姆电阻实际是电阻值很小的电阻，想测量某部分电路的耗电流时，接0欧姆电阻，接上电流表，这样方便测量耗电流，可用于测量大电流。

• 在布线时，如果实在布不过去了，也可以加一个0欧姆电阻，当作跳线。

• 在高频信号下，充当电感或电容（与外部电路特性有关）电感用，主要是解决EMC问题，如地与地、电源与IC焊盘之间。

• 单点接地，指保护接地、工作接地、直流接地在设备上应相互分开，各自成为独立系统。

• 做电路保护，充当低成本熔丝。

• 跨接时用于电流回路。电源、地平面分割完成后，造成信号最短回流路径断裂。此时，信号回路不得不绕道，形成很大的环路面积，电场和磁场的影响就变强了，容易造成干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧姆电阻，可以提供较短的回流路径，减小干扰。

• 在数字和模拟等混合电路中，往往要求两个地分开，并且单点连接。这时可以用一个0欧姆电阻来连接这两个地，而不是直接连在一起。

• 配置电路，一般产品上不应出现跳线和拨码开关。有时用户会误动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0欧姆电阻代替跳线等焊在板子上。

1.88 对于PCB板的散热，有哪些好的措施？

答：对于电子设备来说，工作时都会产生一定的热量，使设备内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发出去，设备就会持续升温，元器件就会因过热而失效，电子设备的可靠性就会下降。因此，对电路板进行散热处理是非常重要的，一般会采取如下措施：

• 通过PCB板本身散热。随着元器件集成化、小型化发展越来越快，我们需要提高与发热元器件直接接触的PCB自身的散热能力，通过PCB板将热量传导出去或散发出去。

• 对发热量大的元器件加上散热片或者导热管，如果温度还是降不下来，可采用带风扇的散热器，以增强散热效果。

• 对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，或按横长方式排列。

• 铜箔线路和过孔是热的良导体，因此可以提高铜箔剩余率和增加导热地过孔。

• 对元器件进行合理布局，发热量小或耐热性差的元器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的上游（入口处），发热量大或耐热性好的元器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流的下游。

• 对于大功率元器件，应尽量靠近PCB板边放置，以便减少这些元器件工作时对其他元器件温度的影响。

• 设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置元器件或印制电路板。

• 避免PCB上热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB上，保持PCB表面温度性能的均匀和一致。

1.89 PCB的验收标准有哪些？

答：国外主要标准有：国际电工委员会（IEC）249和326系列标准；美国IPC 4010系列、IPC6010系列和IPC-TM-650标准以及军标MIL系列标准；日本JPCA5010系列标准；英国的BS9760系列标准等。我国有关印制板的标准分为国标、国军标和行业标准三个系列。

国标主要有：GB4721～4725等系列的材料标准；GB4588系列的产品和设计有关标准；GB4677系列的试验方法标准。国军标主要有：GJB 362A（总规范）和GJB2424（基材）系列标准。行业标准主要有：SJ系列标准（电子行业）和QJ系列标准（航天行业）等。

1.90 如何区分高速信号与低速信号？

答：高速信号、低速信号的区分取决于以下两个因素：

• 信号的有效频率F。

• 信号走线的有效长度U。

一般来说，信号的有效频率F约等于信号频率的5倍，信号走线的有效长度U=（0.35/F）/D，其中D是PCB上的走线延迟。在FR4的材质中，D约等于180，得出的结论就是，信号走线的长度小于有效长度1/6的，信号为低速信号；反之，信号为高速信号。

判定信号是高速信号还是低速信号的步骤：

（1）获取信号的有效频率与信号走线的长度。

（2）计算出信号走线的有效长度。

（3）比较信号长度与1/6有效长度的关系。

1.91 高速电路设计中电容的作用有哪些？

答：高速电路设计中电容的作用如下：

• 电荷缓冲池。电容的本质是储存电荷与释放电荷，当外界环境变化，使得驱动元器件的工作电压增加或减少时，电容可以通过积累或释放电荷来吸收这种变化，即将元器件工作电压的变化转变为电容中电荷的变化，从而保持元器件工作电压的稳定。

• 高频噪声的重要泄放通路。高速运行的电路，时刻存在着状态的改变，这些改变将在电路上产生大量噪声干扰，我们需要将这些干扰泄放到相对稳定的地平面上，以免影响元器件工作，因为电容在频率较高时表现为低阻抗，所以可以作为泄放通路。

• 实现交流耦合。电容的天然特性就是通交流、阻直流，所以可以实现交流的耦合、直流的隔离。

1.92 高速电路设计中电感的作用有哪些？

答：高速电路设计中电感的作用如下：

• 通交流、阻直流。

• 阻碍电流变化、保持元器件工作电流的稳定。电感是用外表绝缘的导线绕制而成的、电磁敏感的线圈，线圈中通电时会产生磁场。电流变化时，线圈会产生感应电动势，阻碍电流变化，从而使元器件工作电流保持稳定。

• 滤波功能。电平状态高速变换的信号，往往寄生有大量的高频谐波，严重影响电路正常工作，所以需要构建低通滤波器来消除，根据电路原理，低通滤波器一般是基于电感和电容来构建，所以电感还具有滤波功能。

1.93 端接的种类有哪些？

答：端接（Butt Joint），是指消除信号反射的一种方式。在高速PCB设计中，信号的反射将给PCB的设计质量带来很大的负面影响，采用端接电阻来达到线路的阻抗匹配，是减轻反射信号影响的一种有效方式。端接分为以下两类：

• 源端端接，接在信号源端或信号发送端的端接，一般与信号走线串接。

• 终端端接，接在信号终端或信号接收端的端接，一般与信号走线并接。

1.94 PCB设计中常用的存储器有哪些？☆☆☆

答：PCB设计中常用的存储器如下：

• SDRAM，Synchronous Dynamic Random Access Memory（同步动态随机存储器）的简称。SDRAM采用3.3V工作电压，带宽64位，SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使RAM和CPU能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，与EDO内存相比，速度能提高50%。

• DDR（Dual Data Rate，双倍速率同步动态随机存储器）。严格地说，DDR应该叫DDR SDRAM，人们习惯称为DDR。与传统的单数据速率相比，DDR技术实现了一个时钟周期内进行两次读/写操作，即在时钟的上升沿和下降沿分别执行一次读/写操作。

• DDR2。DDR2（Double Data Rate 2）SDRAM是由JEDEC（电子设备工程联合委员会）开发的新生代内存技术标准。它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降沿同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR预读取能力（即4bit数据预读取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

• DDR3。DDR3（Double Data Rate 3）SDRAM是DDR2的升级产品，采用8bit预读取设计，采用点对点的拓扑架构，以减轻地址/命令与控制总线的负担，采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从DDR2的1.8V降至1.5V，增加异步重置（Reset）与ZQ校准功能。

• FLASH。Flash内存即Flash Memory，全名叫Flash EEPROM Memory，又名闪存，是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器。在实际应用中的闪存主要分为NOR和NAND两种。NOR有着较快的数据读取速度，但数据写入速度却很慢，在电子产品中一般作为程序存储器。而NAND虽然数据读取速度比NOR慢，但数据写入速度却比NOR快得多，因此在电子产品中一般作为数据存储器。

• QDR。QDR（Quad Data Rate），四倍数据倍率，在DDR的基础上拥有独立的写接口和读接口，以此达到4倍速率，如QDR SRAM等。DDR2 SDRAM、DDR3SDRAM基本原理和DDR SDRAM是一样的，通过提高时钟频率来提升性能，因为时钟频率提高了，必须做相应的预处理（DDR支持2、4、8busrt，DDR2支持4、8 busrt，而DDR3只支持8 busrt）。

1.95 什么叫作阻焊桥？

答：阻焊桥，又称绿油桥、阻焊坝，是SMD焊盘之间的阻焊油墨，其作用是为了防止在焊接的时候，SMD焊盘之间间距过小而产生桥接，从而产生短路。阻焊桥最小宽度一般为4mil。

1.96 常规的基板板材性能参数有哪些？

答：常规的基板板材性能参数如下：

• Tg，玻璃化转变温度，当温度升高到某一区域时，基板将由“玻璃态”转变成为“橡胶态”，此时的温度称为玻璃化转变温度。

• Td，分解温度，表示印制板基材的热分解温度，是指基材的树脂受热失重5%时的温度，作为印制板的基材受热引起分层和性能下降的标志。

• CTE，热膨胀系数，物体由于温度改变而发生胀缩现象。其变化能力以等压（p一定）下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，以热膨胀系数表示。

• CTI，相对漏电起痕指数，基材在表面经受住50滴电解液，一般是0.1%氯化铵水溶液，而没有形成漏电痕迹的最高电压值，单位为伏特（V）。

• Dk，相对介电常数，决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。

• Df，散失因素，是指信号线中已经漏失到绝缘板材中的能量与尚存在于导电线中的能量的比值。基材的散失因素越大，介质吸收波长与热损失就越大，因此在高频信号的传输过程中会严重影响传输的效率。

1.97 上拉、下拉电阻的作用有哪些？

答：上拉、下拉电阻的作用如下：

• 提高电压准位：当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值；OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。

• 加大输出管脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

• N/A pin防静电、防干扰：在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生压降，以降低输入阻抗，提供泄荷通路。同时，管脚悬空比较容易接收外界的电磁干扰。

• 电阻匹配，抑制反射波干扰：长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，可有效抑制反射波干扰。

• 预设空间状态/默认电位：在一些CMOS输入端接上拉或下拉电阻是为了预设默认电位。当你不用这些管脚时，这些输入端下拉接0或上拉接1。在I2C等总线上，空闲时的状态是由上、下拉电阻获得的。

• 提高芯片输入信号的噪声容限：输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉电阻，以免收到随机电平而影响电路工作；同样，如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉电阻，如输出端仅仅是一个三极管的集电极，从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。

1.98 什么叫作背钻？

答：背钻其实就是控深钻比较特殊的一种。在多层板的制作中，如12层板的制作，需要将第1层连到第9层，通常钻出通孔（一次钻），然后沉铜。这样，第1层直接连到第12层。实际上我们只是将第1层连到第9层，第10到第12层由于没有线路相连，像一个柱子，这个柱子影响信号的通路，会引起信号完整性问题。所以需要将这个多余的柱子（业内叫STUB）从反面钻掉（二次钻），因此叫背钻，如图1-53所示。但是背钻一般也不会钻那么干净，因为后续工序会电解掉一点铜，且钻头本身也是尖的，所以PCB厂家会留下一小点，这个留下的STUB的长度叫B值，一般为50～150µm。

图1-53 背钻示意图

1.99 什么是屏蔽罩？它的作用是什么？

答：屏蔽罩，就是用来屏蔽电子信号的工具。它由支腿及罩体组成，支腿与罩体为活动连接；罩体呈球冠状，主要应用于手机、GPS等领域，用于防止电磁干扰（EMI）并对PCB板上的元器件及LCM起屏蔽作用。屏蔽罩的材料一般采用0.2mm厚的不锈钢和洋白铜为材料，其中洋白铜是一种容易上锡的金属屏蔽材料。

屏蔽罩的作用主要有以下几点：

• 用屏蔽体将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散。

• 用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。

• 屏蔽静电、防止电磁干扰、对电子元器件起保护作用。

1.100 在PCB设计时为什么需要做等长设计？

答：在PCB设计中，等长走线主要是针对一些高速的并行总线来讲的。由于这类并行总线往往有多根数据信号基于同一个时钟采样，每个时钟周期可能要采样两次（DDR SDRAM）甚至4次，而随着芯片运行频率的提高，信号传输延迟对时序的影响越来越大，为了保证在数据采样点（时钟的上升沿或者下降沿）能正确采集所有信号的值，就必须对信号传输的延迟进行控制。等长走线的目的就是为了尽可能地减少所有相关信号在PCB上传输延迟的差异。

高速信号全部有效地建立保持窗口，这种概率是很小的。要让数据和控制信号都落在保持窗口内，数据、时钟或数据之间、控制信号之间的走线长度差异就很小。具体允许的偏差可以通过计算时延来得到。

一般来说，时序逻辑信号应满足建立时间和保持时间要求并有一定的余量。只要满足这个条件，信号是可以不严格等长的。然而，实际情况是，对于高速信号来说（如DDR2、DDR3、FSB），在设计时是无法知道时序是否满足建立时间和保持时间要求（影响因素太多，包括芯片内部走线和容性负载造成的延时差别都要考虑，很难通过计算估算出实际值），必须在芯片内部设置可控延时器件（通过寄存器控制延时），然后扫描寄存器的值来尝试各种延时，并通过观察信号（直接看波形，测量建立保持时间）来确定延时的值，使其满足建立时间和保持时间要求。不过同一类信号一般只对其中一根或几根信号线来做这种观察，为了使所有信号都满足时序要求，只好规定同一类信号走线全部严格等长。

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