电子CAD与电子制作.doc

什么是电子CAD 学 院：专业： 学 号： 学生姓名： 电子CAD与电子制作- 1 -一；什么是电子CAD随着电子技术的发展和新型元器件、集成电路的广泛应用，电路的设计越来越复杂，对电路的要求也越来越精密，电子线路CAD在国内得到了广泛的应用和发展。 1发展概述(Computer Aided Design ，简称CAD计算机辅助设计)是计算机在工程技术上的一项重要应用，最近全国CAD应用工程协调小组在中国计算机报上撰文强调应发挥政府宏观调控作用推动我国CAD产业发展.文中指出政府和行业应采取促进和鼓励企事业单位推广应用CAD技术，CAD技术在企事业单位的应用，应作为单位领导任职目标，政绩考核基本内容之一而电路CAI是CAD技术中发展较早和比较成熟的一个方面，国外一些技术先进的国家电路CAD应用技术已相当成熟和普及，国内电路(汰D技术的应用方兴未艾，在科研工程及高校教学领域中正在普及.在相关行业使工程技术人员迅速掌握电路CAD应用技术是提高我国电子产品及工程设计质量，使之具有国际先进水平的一项重要手段.在电子电路CAD领域中，电路仿真即电路的计算机辅助分析(Computer Aided Analysis简称CAA)，是电路CAD的核心部分，尤其是大规模、超大规模集成电路的分析与设计都离不开电路CAA与CAD程序的应用.现在CAA与CAD应用软件的用途早已超过了这个范围，很多电路与系统设计工作者常用它模拟和验证自己的电路设计.2电子线路CAD原理21传统电子线路设计的缺陷传统的电子线路设计通常要经历初步设计、实验试制、小批量生产、正式投产四个阶段，而且还必须经过这四个阶段的不断反复才能完成，因为这种设计过程实质上是以实验为主，辅以定性分析和定量估算的一种设计过程.传统的电子线路设计一般以典型电路的分析为基础，设计者根据已有的公式、图表等依靠手算和简单的计算工具进行计算，因此，既难以跳出固有框框的限制，又难以进行复杂的计算分析.计算时一般要对元器件的等效电路和数学模型作大量的近似和简化处理，而且要忽略一些寄生参量的影响，这就使得计算结果与实际性能经常差距很大，需要经过费时颇长的实验调试反复凑试来修正原有的设计。由于手算无法对电路进行灵敏度和统计分析，使得设计者不可能规定元件容差的合理范围，常造成电路中元件互换性差，产品合格率低.另外，传统的设计方法不便于模拟电子线路中某些故障分析，因而难以确保产品的可靠性.这些矛盾随着电子线路的日益复杂而日趋尖锐.再有，传统的设计方法无法胜任大规模和超大规模集成电路的设计工作.22现代电路设计现代电路设计即电路CAD是以电子计算机为主要工具的.计算机的应用，改变了电路设计的方式.首先，由于计算机的计算能力强，有可能采用精确的模型，自动建立电路或系统方程，并用它分析、计算电路的性能指标，如不满足，还可自动修改参数，使所设计电路达到最优化的目的.其次，电子计算机可用于直接模拟电路的各种功能，用功能程序代替大量的仪器仪表，对电路进行各种分析、计算和模拟，而不需要任何实际元件.因此，有人称计算机为“现代化实验室”.可见，电子计算机这一强有力的工具，使设计过程由搭接实验电路进行凑试为主的方式，改变为以计算机进行分析计算和最优化为主的设计方式.由于CAD把电子计算机的快速、高精度、存储容量大、严格的逻辑判断和优良的数据处理能力与人的创造性思维能力充分结合起来，因而，比传统的电路设计方法优越得多.具体体现在下述几方面:(1)设计效率高，使设计周期大大缩短；(2)设计质量和产品合格率大大提高；(3)可节约原材料和仪器仪表等，从而降低了成本；(4)可模拟各种极限情况，如超低频、大功率、高温、低温等；(5)代替人的重复性劳动，节约人力资源.目前，计算机应用于电子线路设计的许多阶段.诸如:在方案设计阶段，计算机可用来对各种预选的电子线路方案进行分析与比较，选取最佳方案;在方案设计成功后，计算机可进行印刷线路板和集成电路板的布线设计;在成缀阶段，计算机可完成对测量数据的处理和分析等.但是利用计算机对电子线路进行设计虽然具有以上优点，目前却不能用于实现对电子线路的完全自动化设计一般说来，这种设计过程还是要依赖于人的智慧和劳动，依赖于对计算机的妥善使用.总之，在此过程中，设计者的思考和意图仍占主导地位，而计算机仅仅作为一种有效的设计工具.因此人们把上述过程称为计算机辅助电路设计(Computer Aided Circuit Design ，简称CACD).至此，我们可以对电路CAD作一简单的概述:电路CAD是设计电子电路的一种方法，该方法中，人们利用已设计好的各种电路分析程序在电子计算机上辅助人工完成电子电路的设计任务.3. 电路仿真软件PSPICE3.1 PSPICE的介绍随着大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展,以计算机辅助设计(Computer Aided Design,即CAD)为基础的电子设计自动化EDA技术已渗透到电子电路设计的各个环节。如电路图生成、逻辑模拟、电路分析、优化设计、印制板设计等。它引发了电子电路的分析与设计方法的重大变革,改变了以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法,使设计人员不必先搭焊实际电路而直接进入计算机仿真阶段,实现在计算机上调用元器件库、连线画图、编制激励信号源、调用参数库、确定跟踪点及模拟程序等手段去设计电路。为此,一批电路CAD工具相继推出。其中,电路仿真软件PSpice是众多CAD工具中的一个重要组成部分,掌握计算机电路仿真分析方法已成为电子电路分析和设计人员的基本技能。 PSpice软件的前身是SPICE,其全称为Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis,主要用于大规模集成电路的模拟程序。PSpice是由美国MicroSim公司推出的基于SPICE程序的PC机版本。3.2 PSPICE的功能PSpice是一个电路模拟“实验台”。该仿真工具以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础而实现。它采用数学模型和仿真算法,利用计算机计算、存储和图形处理的高速和高效率,以电路理论为依据,设计出各种功能的应用程序来取代实际元器件构成的硬件。即在建立起电路之前,帮助设计人员运行和分析电路的设计,以便修改和优化。这对提高设计质量,节省设计经费,缩短设计周期大有益处,同时还为电路设计者提供一个创造性的工作环境。目前,基于Windows平台的PSpice可对电路完成如下工作:(1)能对模拟电路性能仿真。如直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、统计分析、参数扫描分析以及优化设计等较为复杂电路特性分析。(2)能对数字电路、数/模混合电路进行仿真。3.3 PSPICE软件构成目前在国内使用较多的是PSpice6.2,它主要包括如下6个软件包:原理图编辑器Schematics、数据处理器PSpice(电路仿真程序,是PSpice的核心) ;后处理器Probe(相当于一个示波器)、信号源编辑器Stmed、器件建模工具Parts及元器件模型参数库。4.结语PSpice确实是一个模拟“实验台”,利用它,可完成许多电路实验和测试,以便修改和优化设计,这对从事电子工程、信息工程和自动控制等领域的设计人员具有很高的实用价值。当然,PSpice也有一定缺点,据研究表明，器件模型仅对小功率器件提出,而对于电子电路中的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用等。二；电源完整性设计电容的去耦半径电容的去耦半径电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。确实，减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及，那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远，超出了它的去耦半径，电容将失去它的去耦的作用。理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐振频率为f，对应波长为，补偿电流表达式可写为：其中，A是电流幅度，R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。当扰动区到电容的距离达到时，补偿电流的相位为，和噪声源相位刚好差180度，即完全反相。此时补偿电流不再起作用，去耦作用失效，补偿的能量无法及时送达。为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多，如果距离为0，则补偿能量百分之百传递到扰动区。这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要远小于。实际应用中，这一距离最好控制在之间，这是一个经验数据。例如：0.001uF陶瓷电容，如果安装到电路板上后总的寄生电感为1.6nH，那么其安装后的谐振频率为125.8MHz，谐振周期为7.95ps。假设信号在电路板上的传播速度为166ps/inch，则波长为47.9英寸。电容去耦半径为47.9/50=0.958英寸，大约等于2.4厘米。本例中的电容只能对它周围2.4厘米范围内的电源噪声进行补偿，即它的去耦半径2.4厘米。不同的电容，谐振频率不同，去耦半径也不同。对于大电容，因为其谐振频率很低，对应的波长非常长，因而去耦半径很大，这也是为什么我们不太关注大电容在电路板上放置位置的原因。对于小电容，因去耦半径很小，应尽可能的靠近需要去耦的芯片，这正是大多数资料上都会反复强调的，小电容要尽可能近的靠近芯片放置。三；电源完整性设计电容的安装方法电容的安装方法电容的摆放对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。下面的图14就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。图14 电容摆放位置示例还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。电容的安装在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为：电源平面-过孔-引出线-焊盘-电容-焊盘-引出线-过孔-地平面，图15直观的显示了电流的回流路径。图15 流经电容的电流回路放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小，进而使总的寄生电感最小。图16显示了几种过孔放置方法。图16 高频电容过孔放置方法第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这时最糟糕的安装方式。第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法路面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。第三种在焊盘侧面打孔，进一步减小了回路面积，寄生电感比第二种更小，是比较好的方法。第四种在焊盘两侧都打孔，和第三种方法相比，相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面，比第三种寄生电感更小，只要空间允许，尽量用这种方法。最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接是可能会出现问题，是否使用要看加工能力和方式。推荐使用第三种和第四种方法。需要强调一点：有些工程师为了节省空间，有时让多个电容使用公共过孔。任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计，减少电容数量。由于印制线越宽，电感越小，从焊盘到过孔的引出线尽量加宽，如果可能，尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容，你也可以使用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图17所示，注意图中的各种尺寸。图17 推荐的高频电容过孔放置方法对于大尺寸的电容，比如板级滤波所用的钽电容，推荐用图18中的安装方法。图18 低频大电容过孔放置 四; 电子CAD与电子制作学习心得 本学期我选修了电子CAD与电子制作这门课程。电子线路CAD是一门实用的课程，是从事电子与信息行业的人员必须掌握的一种重要工具，同时，它也是我们必须掌握的最基本的工具。在学习这门课程的过程中，我们在老师的指导和帮助下，从一开始什么都不懂到现在的基本掌握，从理论学习到自己动手操作实践，一步一步，我们朝着更高的方向迈进。下面，就我在学习过程中的一些问题和想法，谈谈我的学习的心得体会：首先，电子线路CAD是一门考验动手能力的课程。正像大家所说，电子线路CAD是我们从事电子信息工程类专业人员必须掌握一门重要的基本工具，其重要性不言而喻。既然如此的重要，对我们来说，其要求肯定也不是掌握一点理论知识、书本经验，而是掌握其实际应用的货真价实的动手能力。只有真正的动手操作，才可以将理论联系实际，将课本上的理论知识转化为一种实际动手操作能力，从而彻底地掌握它。其次，电子线路CAD是一门考验大家耐心和细致的课程。众所周知，电子信息行业涉及面极广，所应用的知识更是种类繁多，如果从事这方面的工作，对从业者的细致耐心的考验是必不可少的。然而，在学习的过程中，我们被要求要认真细致的完成作业和实践课程，这为我们以后从事这一方面的工作打下良好的