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1、什么是電子CAD 電子CAD與電子制作 學院： 專業(yè)： 學號： 學生姓名： —；什么是電子CAD 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和新型元器件、集成電路的廣泛應(yīng)用，電路的設(shè)計越來越復雜， 對電路的要求也越來越精密，電子線路CAD在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 1 .發(fā)展概述 (Computer Aided Design，簡稱CAD計算機輔助設(shè)計)是計算機在工程技術(shù)上的一項重 要應(yīng)用，最近全國CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)小組在《中國計算機報》上撰文強調(diào)應(yīng)發(fā)揮政府宏觀 調(diào)控作用推動我國CAD產(chǎn)業(yè)發(fā)展.文中指出政府和行業(yè)應(yīng)采取促進和鼓勵企事業(yè)單位推廣應(yīng) 用CAD技術(shù)，CAD技術(shù)在企事業(yè)單位的應(yīng)用，應(yīng)作為單

2、位領(lǐng)導任職目標，政績考核基本內(nèi)容 之一而電路CAI〕是CAD技術(shù)中發(fā)展較早和比較成熟的一個方面，國外一些技術(shù)先進的國家 電路CAD應(yīng)用技術(shù)已相當成熟和普及，國內(nèi)電路(汰D技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，在科研工程及 高校教學領(lǐng)域中正在普及.在相關(guān)行業(yè)使工程技術(shù)人員迅速掌握電路CAD應(yīng)用技術(shù)是提高我 國電子產(chǎn)品及工程設(shè)計質(zhì)量，使之具有國際先進水平的一項重要手段.在電子電路CAD領(lǐng)域 中，電路仿真即電路的計算機輔助分析(Computer Aided Analysis簡稱CAA)，是電路CAD 的核心部分，尤其是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的分析與設(shè)計都離不開電路CAA與CAD程 序的應(yīng)用.現(xiàn)在CAA與CAD應(yīng)用軟

3、件的用途早已超過了這個范圍，很多電路與系統(tǒng)設(shè)計工作 者常用它模擬和驗證自己的電路設(shè)計. 2 .電子線路CAD原理 2. 1傳統(tǒng)電子線路設(shè)計的缺陷 傳統(tǒng)的電子線路設(shè)計通常要經(jīng)歷初步設(shè)計、實驗試制、小批量生產(chǎn)、正式投產(chǎn)四個階 段，而且還必須經(jīng)過這四個階段的不斷反復才能完成，因為這種設(shè)計過程實質(zhì)上是以實驗 為主，輔以定性分析和定量估算的一種設(shè)計過程.傳統(tǒng)的電子線路設(shè)計一般以典型電路的 分析為基礎(chǔ)，設(shè)計者根據(jù)已有的公式、圖表等依靠手算和簡單的計算工具進行計算，因此， 既難以跳出固有框框的限制，又難以進行復雜的計算分析.計算時一般要對元器件的等效電 路和數(shù)學模型作大量的近似和簡化處理，而且要忽略一

4、些寄生參量的影響，這就使得計算 結(jié)果與實際性能經(jīng)常差距很大，需要經(jīng)過費時頗長的實驗調(diào)試反復湊試來修正原有的設(shè)計。 由于手算無法對電路進行靈敏度和統(tǒng)計分析，使得設(shè)計者不可能規(guī)定元件容差的合理 范圍，常造成電路中元件互換性差，產(chǎn)品合格率低.另外，傳統(tǒng)的設(shè)計方法不便于模擬電子 線路中某些故障分析，因而難以確保產(chǎn)品的可靠性.這些矛盾隨著電子線路的日益復雜 而日趨尖銳.再有，傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法勝任大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計工作. 2. 2現(xiàn)代電路設(shè)計 現(xiàn)代電路設(shè)計即電路CAD是以電子計算機為主要工具的.計算機的應(yīng)用，改變了電路設(shè) 計的方式.首先，由于計算機的計算能力強，有可能采用精確的模型，自

5、動建立電路或系統(tǒng) 方程，并用它分析、計算電路的性能指標，如不滿足，還可自動修改參數(shù)，使所設(shè)計電 路達到最優(yōu)化的目的.其次，電子計算機可用于直接模擬電路的各種功能，用功能程序代替 大量的儀器儀表，對電路進行各種分析、計算和模擬，而不需要任何實際元件.因此，有人 稱計算機為“現(xiàn)代化實驗室”.可見，電子計算機這一強有力的工具，使設(shè)計過程由搭接實 驗電路進行湊試為主的方式，改變?yōu)橐杂嬎銠C進行分析計算和最優(yōu)化為主的設(shè)計方式.由于 CAD把電子計算機的快速、高精度、存儲容量大、嚴格的邏輯判斷和優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理能力與 人的創(chuàng)造性思維能力充分結(jié)合起來，因而，比傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法優(yōu)越得多.具體 體現(xiàn)在下述幾方面：

6、 (1) 設(shè)計效率高，使設(shè)計周期大大縮短； (2) 設(shè)計質(zhì)量和產(chǎn)品合格率大大提高； (3) 可節(jié)約原材料和儀器儀表等，從而降低了成本； (4) 可模擬各種極限情況，如超低頻、大功率、高溫、低溫等； (5) 代替人的重復性勞動，節(jié)約人力資源. 目前，計算機應(yīng)用于電子線路設(shè)計的許多階段.諸如:在方案設(shè)計階段，計算機可用來 對各種預選的電子線路方案進行分析與比較，選取最佳方案;在方案設(shè)計成功后，計算機可 進行印刷線路板和集成電路板的布線設(shè)計;在成綴階段，計算機可完成對測量數(shù)據(jù)的處 理和分析等.但是利用計算機對電子線路進行設(shè)計雖然具有以上優(yōu)點，目前卻不能用于實現(xiàn) 對電子線路的完全自動化設(shè)計

7、一般說來，這種設(shè)計過程還是要依賴于人的智慧和勞動，依 賴于對計算機的妥善使用.總之，在此過程中，設(shè)計者的思考和意圖仍占主導地位，而計算 機僅僅作為一種有效的設(shè)計工具.因此人們把上述過程稱為計算機輔助電路設(shè)計(Computer Aided Circuit Design，簡稱 CACD). 至此，我們可以對電路CAD作一簡單的概述：電路CAD是設(shè)計電子電路的一種方法，該 方法中，人們利用已設(shè)計好的各種電路分析程序在電子計算機上輔助人工完成電子電路的 設(shè)計任務(wù). 3. 電路仿真軟件PSPICE 3.1 PSPICE的介紹 隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，以計算機輔助設(shè)計(Compu

8、ter Aided Design,即CAD)為基礎(chǔ)的電子設(shè)計自動化EDA技術(shù)已滲透到電子電路設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。如電 路圖生成、邏輯模擬、電路分析、優(yōu)化設(shè)計、印制板設(shè)計等。它引發(fā)了電子電路的分析與 設(shè)計方法的重大變革，改變了以定量估算和電路實驗為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計方法，使設(shè)計人員不 必先搭焊實際電路而直接進入計算機仿真階段，實現(xiàn)在計算機上調(diào)用元器件庫、連線畫圖、 編制激勵信號源、調(diào)用參數(shù)庫、確定跟蹤點及模擬程序等手段去設(shè)計電路。為此，一批電路 CAD工具相繼推出。其中，電路仿真軟件PSpice是眾多CAD工具中的一個重要組成部分，掌 握計算機電路仿真分析方法已成為電子電路分析和設(shè)計人員的基本技能。

9、PSpice 軟件的前身是 SPICE,其全稱為 Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis,主要用于大規(guī)模集成電路的模擬程序。PSpice是由美國MicroSim公司推出的基 于SPICE程序的PC機版本。 3.2 PSPICE的功能 PSpice是一個電路模擬“實驗臺”。該仿真工具以電路理論、數(shù)值計算方法和計算機技 術(shù)為基礎(chǔ)而實現(xiàn)。它采用數(shù)學模型和仿真算法，利用計算機計算、存儲和圖形處理的高速和 高效率，以電路理論為依據(jù)，設(shè)計出各種功能的應(yīng)用程序來取代實際元器件構(gòu)成的硬件。即 在建立起電路之前，幫助設(shè)計人員運行和分析電路的設(shè)計

10、，以便修改和優(yōu)化。這對提高設(shè)計 質(zhì)量,節(jié)省設(shè)計經(jīng)費，縮短設(shè)計周期大有益處，同時還為電路設(shè)計者提供一個創(chuàng)造性的工作 環(huán)境。目前，基于Windows平臺的PSpice可對電路完成如下工作： (1) 能對模擬電路性能仿真。如直流分析、交流小信號分析、瞬態(tài)分析、統(tǒng)計分析、參 數(shù)掃描分析以及優(yōu)化 設(shè)計等較為復雜電路特性分析。 (2) 能對數(shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M行仿真。 3.3 PSPICE軟件構(gòu)成 目前在國內(nèi)使用較多的是PSpice6.2,它主要包括如下6個軟件包:原理圖編輯器 Schematics、數(shù)據(jù)處理器PSpice(電路仿真程序，是PSpice的核心)；后處理器Probe(相當 于

11、一個示波器)、信號源編輯器Stmed、器件建模工具Parts及元器件模型參數(shù)庫。 4. 結(jié)語 PSpice確實是一個模擬“實驗臺”，利用它，可完成許多電路實驗和測試，以便修改和優(yōu) 化設(shè)計，這對從事電子工程、信息工程和自動控制等領(lǐng)域的設(shè)計人員具有很高的實用價值。 當然,PSpice也有一定缺點，據(jù)研究表明，器件模型僅對小功率器件提出，而對于電子電路中 的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用等。 二；電源完整性設(shè)計電容的去耦半徑 電容的去耦半徑 電容去耦的一個重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會提到電容擺放要盡量靠 近芯片，多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個擺放距離問題

12、。確實，減小電感是 一個重要原因，但是還有一個重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問 題。如果電容擺放離芯片過遠，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。 理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補償電流之間的相位關(guān)系。當芯片對電 流的需求發(fā)生變化時，會在電源平面的一個很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動，電容要補償 這一電流（或電壓），就必須先感知到這個電壓擾動。信號在介質(zhì)中傳播需要一定的時間， 因此從發(fā)生局部電壓擾動到電容感知到這一擾動之間有一個時間延遲。同樣，電容的補償 電流到達擾動區(qū)也需要一個延遲。因此必然造成噪聲源和電容補償電流之間的相位上的不 一致。 特定的電容，

13、對與它自諧振頻率相同的噪聲補償效果最好，我們以這個頻率來衡量這種 相位關(guān)系。設(shè)自諧振頻率為f，對應(yīng)波長為日，補償電流表達式可寫為： I = Ae f 其中，A是電流幅度，R為需要補償?shù)膮^(qū)域到電容的距離，C為信號傳播速度。 當擾動區(qū)到電容的距離達到"網(wǎng)時，補償電流的相位為汗，和噪聲源相位剛好差180度， 即完全反相。此時補償電流不再起作用，去耦作用失效，補償?shù)哪芰繜o法及時送達。為了 能有效傳遞補償能量，應(yīng)使噪聲源和補償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距 離越近，相位差越小，補償能量傳遞越多，如果距離為0，則補償能量百分之百傳遞到擾動 區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠小于初

14、4。實際應(yīng)用中，這一距離最好控制 在W-我5 0

15、徑很大，這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位 置的原因。對于小電容，因去耦半徑很小，應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多 數(shù)資料上都會反復強調(diào)的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。 三；電源完整性設(shè)計電容的安裝方法 電容的安裝方法 電容的擺放 對于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率， 去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠，最外層放置容 值最大的。但是，所有對該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。下面的圖14就是一個擺放位 置的例子。本例中的電容等級大致遵循10倍等級關(guān)系。 Ferrite Bead to Isola

16、te A^oSupply ]OnE- 2.7tih QB s on mnn c c on □D □□ OD ODOD a M on □c / mj + ^~7 U~LMJ EKEKI OCEM1EM] _J nrm nr nr nr ? fl —4 |1 BB 88 ac BB ADSP-2136x 目目 M gg 刪儡岫刪■的― □COC □ MJ DC EM] B rM~irM~i B aci nc an lOOnF flora 113) 2.7 & 10nF(23) r680pF(27) EK □C 圖14電容擺放位置示例 還有一點要注意，在放

17、置時，最好均勻分布在芯片的四周，對每一個容值等級都要這樣。 通常芯片在設(shè)計的時候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的 四個邊上的。因此，電壓擾動在芯片的四周都存在，去耦也必須對整個芯片所在區(qū)域均勻 去耦。如果把上圖中的680pF電容都放在芯片的上部，由于存在去耦半徑問題，那么就不 能對芯片下部的電壓擾動很好的去耦。 電容的安裝 在安裝電容時，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也 是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為：電源平面-> 過孔-> 引出線-> 焊盤-> 電容-> 焊盤-> 引出線-> 過孔-> 地平面，圖15直觀的顯示了電流的回流路徑。

18、 0402 Body _ . _ Suitiee Tiace S?lderable E nd Termin al Cap?he>r Solder Lmd: ViA bkurntod SpEtor GugE Loop 圖15流經(jīng)電容的電流回路 放置過孔的基本原則就是讓這一環(huán)路面積最小，進而使總的寄生電感最小。圖16顯示 了幾種過孔放置方法。 ABSOLUTELY NOT BETTER EVEN BETTER EVEN BETITER STILL ■ | THE BEST! SOLTD VIA WITHIN PAD 圖16高頻電容過孔放置方法 第一種方法從焊盤

19、引出很長的引出線然后連接過孔，這會引入很大的寄生電感，一定要 避免這樣做，這時最糟糕的安裝方式。 第二種方法在焊盤的兩個端點緊鄰焊盤打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也 較小，可以接受。 第三種在焊盤側(cè)面打孔，進一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的 方法。 第四種在焊盤兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián) 接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。 最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會出現(xiàn)問題，是否使 用要看加工能力和方式。 推薦使用第三種和第四種方法。 需要強調(diào)一點：有些工程

20、師為了節(jié)省空間，有時讓多個電容使用公共過孔。任何情況下 都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計，減少電容數(shù)量。 由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤 寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil寬的引出線。引出線和過孔 安裝如圖17所示，注意圖中的各種尺寸。 30 mil 圖17推薦的高頻電容過孔放置方法 對于大尺寸的電容，比如板級濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。 圖18低頻大電容過孔放置 四；電子CAD與電子制作學習心得

21、 本學期我選修了《電子CAD與電子制作》這門課程。電子線路CAD是一門實用的課 程，是從事電子與信息行業(yè)的人員必須掌握的一種重要工具，同時，它也是我們必須掌握 的最基本的工具。AA在學習這門課程的過程中，我們在老師的指導和幫助下，從一開始什 么都不懂到現(xiàn)在的基本掌握，從理論學習到自己動手操作實踐，一步一步，我們朝著更高 的方向邁進。下面，就我在學習過程中的一些問題和想法，談?wù)勎业膶W習的心得體會：AA 首先，電子線路CAD是一門考驗動手能力的課程。正像大家所說，電子線路CAD是我們 從事電子信息工程類專業(yè)人員必須掌握一門重要的基本工具，其重要性不言而喻。既然如 此的重要，對我們來說，其要求肯定

22、也不是掌握一點理論知識、書本經(jīng)驗，而是掌握其實 際應(yīng)用的貨真價實的動手能力。只有真正的動手操作，才可以將理論聯(lián)系實際，將課本上 的理論知識轉(zhuǎn)化為一種實際動手操作能力，從而徹底地掌握它。AA其次，電子線路CAD 是一門考驗大家耐心和細致的課程。眾所周知，電子信息行業(yè)涉及面極廣，所應(yīng)用的知識 更是種類繁多，如果從事這方面的工作，對從業(yè)者的細致耐心的考驗是必不可少的。然而， 在學習的過程中，我們被要求要認真細致的完成作業(yè)和實踐課程，這為我們以后從事這一 方面的工作打下良好的基礎(chǔ)，養(yǎng)成嚴謹審慎的科學態(tài)度。例如最簡單的電氣連接的檢驗…… 雖然是基礎(chǔ)的問題，卻是我們必須注意的問題。AA第三，電子線路CAD是一個橋梁和紐 帶，它和其它幾種程序軟件工具一起，成功地串聯(lián)了現(xiàn)在我們所學習的知識。以往我們的 學習除了一些基礎(chǔ)性的學科如數(shù)學以外，其他課程各個獨立，很難或者很少發(fā)生交叉；電 路電子線路CAD和其它幾種軟件如Max+plus的出現(xiàn)，讓我們的學習內(nèi)容發(fā)生交叉。我們 所掌握的電路知識、通信知識終于有了一個個交匯點可以讓我們?nèi)跁炌ǎ刮覀兛梢杂?意識的建立一個知識的構(gòu)建。AA以上是我在學習《電子CAD與電子制作》這門課程中的 一些體會和看法。也是我的學習的態(tài)度，同時也是我的學習收獲之一。