PCB设计技术 课件 5 FM收音机电路

PCB设计技术课程项目4:FM收音机电路PCBDesign深圳职业技术学院曾启明韦编三绝，刻苦努力韦编三绝一词出自西汉司马迁所著的《史记·孔子世家》，原指孔子勤读《易经》，致使串联竹简的皮绳多次脱断，现用于比喻勤奋用功，刻苦治学。PCB设计的学习正是需要这种精神，在反复的项目实践中提升能力。收音机的应用收音机是一种能够将无线电信号进行接收、解码并转换为声音信号的电子装置。FM收音机是接收FM（调频）载波方式无线电信号的收音机。电路结构与原理FM收音机电路的结构电路以芯片GS1299为核心，采用7号电池和稳压芯片组成电源模块，3.5mm耳机接口同时作为信号接收端和声音信号的输出端，采用贴片晶振提供时钟信号，控制信号由5个轻触按键输入。01.电路结构与原理GS1299专用FM芯片电池3.5mm耳机接口稳压芯片按键×5晶振FM信号声音FM收音机电路原理图01.电路结构与原理主芯片电源输入/输出晶振按键逻辑封装设计2.1GS1299芯片的逻辑封装设计02.逻辑封装设计GS1299是由国内企业生产的一款内置MCU，用户无须编写程序的立体声收音机专用芯片GS1299芯片采用SOP16封装，引脚按逆时针方向顺序排布。工程师在设计逻辑封装时，在无特别要求的情况下，可以按照上图给定的形式和引脚排列进行设计12345678161514131211109引脚名称功能描述GND接地端，连接PCB地平面FM_INFM信号输入RCLK32.768kHz参考时钟输入VDD电源输入LOUT,ROUT左、右声道输出SEEK-,SEEK+向上搜索、向下搜索VOL-,

VOL+声音减小、声音增加PN电路功能开启/关闭+-02.逻辑封装设计逻辑封装的设计方案不是唯一的，不少PCB工程师在设计芯片逻辑封装时，不会限制于引脚的顺序，而是以引脚功能进行分类排序。右图给出了GS1299芯片的另一种逻辑封装形式，使相同功能的引脚相邻接地信号相关引脚音频输出时钟按键输入相关引脚电源输入天线信号方案1方案22.2电池座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计7号电池座防滑柱2451234方案1方案27号电池2.3耳机座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计本项目采用的3.5mm耳机座型号为PJ-313，相比第4章助听器电路中使用的PJ-307去掉了插入检测功能，结构相对更为简单，其逻辑封装可以参考PJ-307的设计过程接地端(3)右声道(1)左声道(2)实物图逻辑封装2.4按键的逻辑封装设计02.逻辑封装设计按键是电子电路常用的输入控制元件，从结构上一般分为自锁按键和回弹按键两种项目使用了一种成本更高，触感更好的硅胶回弹按键，右图所示。与第2章中学习的四脚贴片按键不同，该按键只有两个引脚，内部结构更为简单自锁按键回弹按键02.逻辑封装设计三种设计方案在电路连接上均是正确的，但各有优劣。设计方案1的样式更适合自锁按键；设计方案2显示了引脚的序号，对于两个引脚的非极性元件来说是没有必要的，这些多余的信息会影响页面的整洁性。因此，设计方案3是更为合适的。设计方案1设计方案2设计方案32.5晶振的逻辑封装设计02.逻辑封装设计晶振主要分为无源晶振和有源晶振两类。无源晶振的内部是纯粹的石英晶体，需要芯片内部锁相环等时钟电路共同工作才能起振。有源晶振内部集成了起振电路，无需外部添加其他元器件即可正常工作，但其需要外部电源供电各种类型的晶振无源晶振的逻辑封装2.6螺孔的逻辑封装设计02.逻辑封装设计螺孔螺丝孔的逻辑封装及电路连线02.逻辑封装设计晶螺孔的设计方法分为两种：一种是在PCB布局步骤中，通过手动的方式添加。这种方式不需要设计螺丝孔的逻辑封装，也不需要在原理图中添加螺丝孔。另一种方法是将螺丝孔看作电路的元件，使之出现在各个设计环节中，以确保原理图和PCB图的严格一致。逻辑封装螺孔接地螺丝孔逻辑封装的设计非常简单，其本质是一个外形类似圆圈的单引脚元件。电路中使用了3个螺丝孔，并连接到“地”网络。原理图绘制3.1网络标号03.原理图绘制网络标号是介于连线和电源符号之间的一种连接关系表示形式。如元件A的n3引脚与元件B的n4引脚所示，各自从引脚中引出一根短线，并设定一个相同的网络名称，就可以实现两个引脚之间的连接。这种方式相比连线，不需要使用线条连接，能够增加页面的整洁度元件A元件Bn1n2n3n4n1n2n3n4VCCVCCNET1NET1连线（网络名称隐藏）电源符号网络标号天线信号输入线路的网络标号03.原理图绘制使用网络标号标示重要网络（FM_IN）3.2元件描述规范03.原理图绘制元件标号元件值1．元件标号的描述规范03.原理图绘制类别代表字母类别描述电阻RRES排阻RNRESArray热敏电阻RTRES

Thermal压敏电阻VRRES

Varistor电容CCAP排容CNCAPArray钽电解电容CTCAPTAN电解电容CACAP

Electrolytic可变电容VCCAP

Varistor磁珠FBBEAD电感LINDUCTOR变压器TTransformer二极管DDIODE类别代表字母类别描述LED指示灯LEDLEDMOSQMOSFET三极管QTRANSISTOR芯片UIC板卡内连接器JPCONNECTOR板卡对外连接器PCONNECTOR熔丝FFUSE开关SWSWITCH有源晶振XCRYSTAL

Active无源晶振YCRYSTAL

Passive继电器RYRelay峰鸣器BBEEP电池座BATBAT_CON测试点（焊盘）TPTEST_POINT2．元件值的描述规范03.原理图绘制材质？耐压值？封装形式？精度？封装形式？左图中大部分元件的元件值均未达到规范要求。电阻R12仅给出了阻值，精度和封装形式均未显示；电容C4仅给出了电容值，缺少材质、耐压值和封装形式等信息。对于电路设计工程师，仅给出左图所示的元件值描述方式尚可理解，而这对于PCB工程师来说是不严谨的。电阻元件值的描述规范03.原理图绘制阻值1KΩ以下：*R；1KΩ~1MΩ：*K；1MΩ以上：*M材质碳膜（CarbonFilm）金属膜（MetalFilm）精度0.5%、1%、5%、10%等功率1/20W、1/16W、1/10W、1/8W、1/4W等规格插件：AXIAL-xx贴片：0402、0603、0805、1206等；品牌国内：风华高科（FH）等进口：TDK、YAGEO等

完整描述示例10K/CarbonFilm/5%/1/10W/0603/FH精简描述示例10K/5%/0603电容元件值的描述规范03.原理图绘制容值1000pF以下：*pF；1nF~100nF：*nF；0.1uF以上：*uF材质NPO、X7R、X5R、Y5V精度1%、5%、10%、20%耐压4V、6.3V、16V、25V、50V规格插件：RADL-xx贴片：0402、0603、0805、1206等品牌国内：风华高科（FH）等进口：TDK、YAGEO等

完整描述示例0.1uF/X7R/5%/10V/0603/FH精简描述示例0.1uF/10V/0603物理封装设计SMT（SurfaceMountTechnology，表面贴装技术）04.物理封装设计TDA7052按键控制LED电路的贴片按键功率放大电路的芯片与传统的通孔元件相比，贴片元件的安装密度高，并能够减小引线分布的影响，降低寄生电容和电感，高频特性好，是目前电子电路设备中主要的元件类型。通孔元件，也就是插件型元件，在现代电子电路设备中主要是各种接插件，例如USB口、网口和耳机口等4.1贴片RCL元件的物理封装设计04.物理封装设计RCL是指电子电路中最基本的电阻（R）电容（C）和电感（L）元件。左图所示为电子电路中的贴片RCL元件应用场景，这些元件呈颗粒状排列在芯片的周围。RCL元件的外观区分03.原理图绘制贴片电阻贴片电容贴片电感贴片电阻一般呈扁平的片状，以黑色为主，顶部标有表示阻值的数值；贴片电容一般呈黄褐色，比电阻稍厚，元件体表面无数字；贴片电感一般呈长方体形状，黑色为主，表面无数字RCL元件的尺寸代码04.物理封装设计LW英制代码公制代码长(L)/mm宽(W)/mm020106030.600.30040210051.000.50060316081.600.80080520122.001.25120632163.201.60121032253.202.50181248324.503.20201050255.002.50251264326.403.20三类元件的规格尺寸的定义标准是相同的。常见贴片RCL元件的封装有9种，用两种尺寸代码来表示：英制代码和公制代码。本项目中采用0603封装的元件04.物理封装设计1.60.80.80603封装设计1.60.80603元件焊接示意图04.物理封装设计由于0603封装的电阻、电容和电感的焊盘尺寸和距离都是相同的，因此在设计时需要利用丝印来区分元件类型。上图给出了一种设计方案，通过丝印的差异化设计，PCB工程师在后期布局布线时可以直观地区分这三种元件利用丝印区分同封装的RCL元件电阻电容电感04.物理封装设计钽电容（Tantalumcapacitor）属于极性电容的一种，与普通使用电解液作为介质的电解电容相比，钽电容使用钽金属作为介质，耐高温性能更好，同时具有更高的可靠性和使用寿命。在外形上，钽电容一般为黄色或者黑色长方体，正极一端带有粗线标识4.2钽电容的物理封装设计正极正极04.物理封装设计4.2钽电容的物理封装设计以C4“22uF/10V/A”为例，电容值为22μF，工作电压10V，尺寸为A。通过对比左图，在22μF，10V条件下，可以提供A/B/C三种尺寸。考虑尽量小型化的要求，最终选用A尺寸。A/B/C1．根据需求确定可选尺寸2．根据尺寸设计物理封装213.21.84.3稳压芯片的物理封装设计04.物理封装设计电路采用了一颗PL3500系列，输出电压为3.0V的低压差线性稳压芯片（LDO,LowDropoutRegulator）。芯片从3号引脚输入的电压，稳定至3.0V，并从2号引脚输出。芯片采用SOT（SmallOutlineTransistor，小外形晶体管）封装（IN）（GND）（OUT）04.物理封装设计设计要点此类封装的设计关键在于确定引脚的长宽和定位坐标。左图给出了建议的封装参数，焊盘大小为1mm×0.6mm，而芯片引脚与焊盘接触的部分实际尺寸为0.25mm×0.4mm。确定焊盘尺寸后，下一步的工作是选择元件的中心作为原点，计算各焊盘的位置坐标。单位：mm123(0,0)2.8mm1.9mm（0,1.4)（-0.95,-1.4)04.物理封装设计4.4PJ-313耳机座的物理封装设计312设计要点04.物理封装设计(0,0)1.30.8（3.5,0)1(0,6.3/2)非电镀孔内径1.6234567（-2.5,0)1234567悬空04.物理封装设计4.5双节电池座的物理封装设计04.物理封装设计4.6拨动开关的物理封装设计(13-0.5)mm123(0,0)3.06.25mm456.2mm内径≈0.8mm4.7螺孔的物理封装设计04.物理封装设计螺丝孔在PCB设计中也称为工具孔，主要作用是辅助PCB的制造和组装。一种简单的设计方法是直接放置一个符合要求的通孔焊盘。除此之外，一种更高级的设计方法是在外围铜皮上再放置若干个小孔，这种形式称为“卫兵孔”或者“防爆孔”，可以防止铜皮翘起，保证良好接地3mm4mm网表的局部更新05.网表处理工程设计更改（ECO）原理图PCB同步布局布线过程中，电路的引脚交换、删除或添加元件、删除或添加网络、重命名元件、重新命名网络等修改都被认为是一个工程设计更改（EngineeringChangeOrder）通过修改原理图文件，然后再通过网表，将变化同步更新到PCB文件中，这种方式称为网表的局部更新PCB布局6.1导入结构文件06.PCB布局结构工程师PCB结构文件结构文件是一个描述PCB外形尺寸，安装孔大小和位置，定位孔大小和位置，连接器形状和位置等信息的文件，一般由结构工程师给出。PCB工程师可以通过结构文件与结构工程师进行交互。结构文件的格式一般是DXF（DrawingExchangeFormat，绘图交换格式）文件，是AutoCAD一类设计软件的标准输出格式。如果PCB外形复杂，而结构设计人员需要对外形等参数进行约束的话，就需要结构人员提供DXF文件，PCB设计人员导入DXF文件确定PCB的外形、安装孔等参数。05.网表处理FM收音机电路的结构文件图中明确标示了板框的形状和尺寸，同时标记了关键接插件的位置和朝向。工程师可以直接将表示板框的线条图形转换为板框，并将关键接插件按照结构文件的标示进行放置板框螺丝孔位置电池座位置（底面）耳机座位置（底面）开关位置（底面）6.2元件双面布局06.PCB布局按信号走向的布局原则FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局原则1：通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。按信号走向的布局原则FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局原则2：元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。电路的信号和电源均从PCB的左侧进入，按照从左到右的原则进行布局。电路中的耳机座同时作为无线电信号输入和音频输出的接插件，因此信号无法满足右侧输出的原则。PCB布线7.1敏感线路的处理07.PCB布线PCB的走线，是两个、甚至多个连接点之间的金属通路，线上传输信号的变化快慢不同，会让线路呈现不同的物理特性。一根导线通电以后，导体周围就会产生磁场。信号的频率较快，磁场也会随之变化，交织变化的磁场会让PCB的性能发生各种变化。此类线路是PCB中的“不安份子”，称之为敏感线路，或者高频线路，必须小心处理1.微带线与带状线07.PCB布线微带线（Microstripline）是走在PCB表面层的走线，带状线是埋在PCB内层的（Stripline）的走线hwtbtw导体绝缘介质微带线带状线微带线一面是电介质，一面是空气，因此信号传输速度很快。带状线两边都有电源或者地层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽性能好，但是信号速度慢些。2.FM信号和时钟输入线路的处理07.PCB布线FM信号输入线路晶振时钟信号输入线路敏感信号的布线原则07.PCB布线FM信号输入线路地网络铺铜弧线晶振时钟信号线原则1：优先绘制相关的敏感线路。布线是有优先级的，对于一个PCB中的敏感信号，以及关键线路，应该优先绘制，以尽量避免绕线、换层等影响布线质量的问题。原则2：对重要线路进行“包地”处理。包地，顾名思义就是要将信号线周围用“接地”属性的线或者铜皮包裹起来，该方法能够有效降低信号串扰。特别是本项目中的两层板，因为没有中间层用作参考平面，重要信号的包地就很重要。敏感信号的布线原则07.PCB布线原则3：布线的弯折越少越好。最理想的状态是全直线，需要转折的场合，可用45度折线或者圆弧转折。在高频电路中，这个做法却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。原则4：布线的长度越短越好。信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上，所以对于时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。原则5：布线要尽量避免层间切换。敏感线路的布线过程要尽量避免使用过孔，因为过孔将会引入额外的分布电容，影响连线的性能。减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。7.2滤波电容的布线07.PCB布线滤波电容是安装在整流电路（例如电源芯片）两端用以降低交流脉动波纹系数，提升高效平滑直流输出的一种储能器件。滤波电容的布局布线原则是：电源电压先到滤波电容，经滤波电容后，再送给后面的元件。错误与正确方案对比07.PCB布线错误的布线方案中，紫色为电源网络相关端点，绿色为接地网络相关端点；A点为电源输出端点，经两个电容滤波后，输送至B点。图中使用铺铜的方式完成布线连接，看起来很美观，但没有达到真正的滤波效果。图中红色的虚线代表电流的流动方向，在这种布线方式下，电流可以“绕过”滤波电容直接达到B点。ABAB7.3静态铜的设计07.PCB布线静态铜（Copper），也称为硬铜或者固态铜，铜皮是实心的，会将所画的区域的所有连线和过孔全部连接到一起，即“所画即所得”。静态铜不会考虑所画铜块是否属于同一个网络，容易造成短路，PCB工程师必须小心处理。3点优势：电源散热、处理特殊区域、狭小空间铺铜PCB制造工艺在PCB设计完毕，导出制造文件给制造商的同时，必须提供PCB的制造工艺要求，制造商才可以按照要求生产PCB。主要包括：PCB的材质铜箔的厚度板厚、最小线宽和孔径阻焊和丝印的颜色表面处理工艺8.1PCB的材质08.后期处理生产PCB的板材，又称为基材，芯板，覆铜板等，是制作PCB的基础材料，其本质是将玻纤布或其它增强材料浸以树脂，一面或双面覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料铜箔树脂玻璃纤维FR-4是目前应用最为广泛的一类基材。FR-4一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格8.2铜箔的厚度08.后期处理铜箔的厚度，俗称铜厚，是电路板表面的那一层金属，也就是PCB的线、铜皮、焊盘等金属元素的厚度。铜厚分为内层铜厚和外层铜厚，一般使用重量单位盎司（oz）来计量盎司是一个重量单位，并不是尺度单位，在PCB制造工艺里，1oz铜厚定义为将1盎司重量的铜平铺在1平方英寸面积内，形成的铜箔厚度，转换为尺度单位约为35um（1.4mil）0.5oz1oz1oz表层底层中间层8.3板厚、最小线宽和孔径08.