PCB的设计不单是运用EDA工具熟练地设计出满足性能的电路板，其终极的目标是要通过这个设计的过程实现项目要求满足的“电路功能”，因此硬件工程师不仅要掌握PCB设计工具的使用，了解整个的PCB设计、加工、装配流程，更重要的是要“设计”电路，这也是“工程师”区别于“工人”的地方。

一个好的电路设计，需要具备两个基础：

• 电路理论 - 电路原理、模拟电路、数字电路，这些我们在大学本科期间学习的基础课程，在这些课程中我们了解到欧姆定律、电路理论、各种模拟器件的功能及应用、数字逻辑以及各种数字功能的实现。仅有这些理论还是不够的，短暂的本科课堂教育只能讲述最最基础的知识，无法从一个电子产品的系统层面把每个部分进行详细的分解，并将各个部分之间的关系梳理清楚，没有一个宏观的系统轮廓，就无法设计哪怕一个简单的电子系统；
• 电磁场理论 - 电子元器件都是在供电的情况下动态地工作的，变化的电流自然就会产生电磁场，这种电、磁的相会作用就会导致你基于电路理论设计的理想化的电路，在实际的电路板上，由于处于工作状态的器件、电路走线之间会造成互相之间的影响，从而偏离你基于电路设计的目标，用电磁场理论去分析各种可能的现象就能够让你的设计取得最接近于理想化设计的性能。

电磁场对电路的影响我们会在后面布局、布线以及信号完整性部分进行详细的介绍，本章我们先看一下电路部分，也就是从一个典型的电子产品系统构成来看一下我们做PCB设计的时候首先需要考虑到的一些要素。

半导体/电子元器件发展到今天一进共有几百个种类、上亿中不同的型号，如果不能够系统地理解一个电子产品的构成，就很难在新的产品设计中根据系统的要求选用合适的型号。

我们先对一个典型的电子产品做功能的分解，看看它的基本构成以及每个功能模块的电路要素。

我们先上升到一定的高度来看看：所有的电子产品都是用电信号对我们身处的物理世界进行表征和计算的过程 - 先通过各种传感器将物理世界的“物”和“事”（变化的物）转变为电信号，也就表征的过程；模拟信号链路以及后续的数字信号处理、大数据/云计算/人工智能等都是对获取的电信号进行计算，提取出有用的信息，以达到对物理世界的认知；通信传输、存储回看（电影、电视）等都是消除掉4维的时空对人认知的限制而已。

我们都知道，电信号里最基本的关系是欧姆定律 V（电压） = I（电流）* R（阻抗）. 它也是电路理论最基础，最核心的定律，取决于构成电路回路的器件不同 - 电阻、电感、电容导致的阻抗也不一样，尤其是具有储能功能的元件电感和电容，它们的阻抗与电信号的频率也有关系。

除了欧姆定律以外，下面的图中还列出了电路理论中的一些重要信息：

对于信号的处理，除了从比较直观的时域(信号按照时间变化)以外，从频域对信号进行处理给我们提供了另一个新的维度。随之半导体技术的发展以及数字信号处理领域的不断创新，我们越来越多地通过对模拟信号数字化以后在数字域进行更多形式的变换，从更多的维度对信号进行处理和解析。

我们先以下面的图为例，看一下一个典型的电子产品的主要构成部分，这个图来自TI公司的官方网站(www.ti.com.cn)关于其ADC和DAC的介绍。

我们可以看出一个典型的电子产品大致可以分解为图中所示的几个部分，很像我们的器官：

• 主处理器/存储器 - 大脑/记忆单元，计算/存储
• 电源 - 胃，为整个产品的各个组件提供能源
• 时钟 - 心脏，为整个系统提供统一的节拍，驱动整个系统的运行
• 输入信号调理/数字信号处理 - 神经系统
• 传感器 - 各种感觉器官
• …..

我们要做的就是将每个部分有机地组织在一起，形成一个可以协调工作、能进行多任务处理的系统，下面我们来看看每个部分的功能及关键的技术指标。

第一个列出来电源，是因为电源非常重要，所有的电子产品都需要电，因此电源供电及电源管理是每个电子产品都有的一个重要组成部分，电源之于电子产品就如同我们身上的“胃”，为整个机体提供所需要的能量。电源电路的输入一般是来自220V/50Hz的交流供电（美标为110V/60Hz）或事先存储在电池上的能源，源源不断提供给产品上的每一个电路模块。每个模块对电压、电流、纹波的要求是不同的，我们需要根据每个模块的要求来设计电源的拓扑结构以满足每个模块要达到的的性能，并最小的能量浪费（整体转换效率最高）和最低的系统成本。

随着电脑USB端口的广泛应用、USB供电适配器的普及，越来越多的小功率家用电子产品，经常与电脑相连接的开发系统等都直接使用5V的直流适配器给产品提供电源。在这些产品内部就由多组DC-DC变换电路以及电源管理功能，将输入的5V直流电压转换成多个不同器件需要的供电电压，比如数字器件的3.3V、处理器或FPGA内核用的1.2V、模拟电路需要的+/-5V的低噪声直流电压等。

要获得稳定的直流供电电压，可以采用两种不同的稳压方式，它们工作模式的区别主要在于调整三极管工作的状态:

• 线性稳压 - 调整三极管工作于线性状态，在负载或者输入端的电压发生变化的时候靠改变三极管两端的压降来保证输出端得到稳定的直流电压，这种方式的好处是输出端的直流电压纹波比较小，调整管本身对输入电压上的波动有高达60dB的抑制，适合给对噪声敏感的模拟电路进行供电。这种工作方式带来的缺点就是输入电压和输出电压之间的压差有个最小值，因此只能做降压用。由于调整管工作于线性状态，在其上面消耗的功率为压降x流过的电流，这些消耗会以热量的方式损耗掉，在压差较大且流过的电流也比较大的场合下，在调整管上以热的形式消耗掉的功率就会大大降低系统的转换效率以及热量导致周边器件、走线的老化，产品的长期稳定性会降低。
• 开关稳压 - 调整三极管工作于开关状态（PWM或PFM控制其开/关状态），它是通过在输出端的电感作为储能元件、电容做纹波的平滑。在这种稳压方式中三极管处于开关状态，其上耗散的功率很低，因此一般来讲在输入电压变换范围较大的场合下，开关稳压的效率会相对线性稳压方式较高，而且支持降压、升压、反压变换等各种应用场景，其缺点就是输出电压上的高频纹波较大，比较难滤除，一般被用于对电源纹波不太敏感的数字电路的供电中。

电源电路的几个核心参数：输入电压及其范围、输出电压、负载电流、输出电压上的纹波要求、转换效率

传感器相当于我们的感知器官，每一种新的传感器的出现都会给我们带来对物理世界一个新维度的认知，比如GPS、照相机、姿态传感器等都让电子产品给我们的生活带来巨大的变化。传感器的输入是物理世界的物理量（光线、位置、温湿度等），其输出为代表这些物理量信息的表征电信号，以通用的接口方式（I2c、SPI等）同处理器进行连接。随着工艺的提高，越来越多的预处理（计算）能力都集成在传感器芯片内了，大大降低了MCU（大脑）的负荷。

传感器的几个核心参数：灵敏度、接口方式

模拟信号链路主要是对输入的模拟信号通过模拟电路对其进行“计算”处理，由于表征任何信号的参数主要为两个 - 信号的幅度（强度）以及信号的频率（随时间的变化），因此对于信号的“计算”处理也就是围绕着这两个参数进行的。首先是对幅度的调节 - 放大或缩小，所用的器件就是放大器或衰减器（其放大或缩小的量通常以dB来表示）。因为输入信号的幅度范围可大可小，也就是说其动态范围的大小，设计的电路要满足输入信号在要求的变化范围内都能够达到预期的效果，就要对模拟电路的类型、增益等进行合理的设定。

按照被处理信号的频带的要求，滤波器可以分为低通、带通、高通、带阻等几种主要类型，有多种方式实现对信号频率处理，比如由电阻R、电容C、电感L构成的无源滤波网络、由运算放大器、电阻R、电容C构成的有源滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器等等。

在电路种最常用的是无源滤波器，也有如下几种不同的实现方式，每一种滤波器的构成及特性会在后面的章节中做进一步的介绍。 - 贝塞尔滤波器 - 巴特沃斯滤波器 - 切比雪夫滤波器 - 椭圆滤波器

滤波器的几个核心参数：过渡带衰减、抑制度、带内波动、相位特性等

任何电路都不可能只处理其中一个参数而对另一个参数没有影响，因此无论是放大器还是滤波器都会对这两个参数造成影响，只不过主次不同而已。在实际的电路设计中要综合考虑这两者的要求。

设计中可以基于器件的SPICE模型数据进行模拟电路的仿真，以确定你选用的器件构成的电路拓扑是否满足对输入的模拟信号在幅度和频率方面的处理的要求。

模拟链路处理完的信号还是模拟量，要对这些信号进行数字处理（有很多好处），就必须先对这些信号进行量化，也就是模拟/数字转换（ADC）。反过来如果要将数字信号转换到模拟信号，就需要数字/模拟转换（DAC）。因此ADC和DAC是连接模拟电信号世界和数字电信号世界之间的桥梁。

ADC和DAC最重要的几个参数：

• 分辨率，也就是转换的精度，以bit为单位。分辨率越高，对模拟信号的数字表征也就越逼真，当然成本也就越高，后期的数字化处理需要的资源也就跟着上升。分辨率的选取需要根据待处理信号的性质以及信号本身的信噪比进行选择。
• 转换率，单位为sps（每秒的采样率）。转化率越高，也就意味着在时域上精度越高，当然成本也就越高。转化率的选取要看被转换的信号的时域变化情况。
• SFDR - 无杂波动态范围
• 接口方式 - 并行、串行

当然还有供电电压、功耗、封装、成本等等指标对于ADC、DAC的选用也非常重要。

量化的数字信号需要在数字域进行进一步处理，最合适的器件就是可编程逻辑器件（PLD），其中FPGA是目前PLD中的首选器件，全球FPGA器件的供应商主要有：Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip（原Microsemi、原原的Actel）四家，每家的定位不同，在不同产品线上可以选用不同厂家的不同产品系列。

选用FPGA最关心的就是其内部的资源是否够用、合适，比如：

• 逻辑资源
• 存储资源
• 运行速度
• 可编程IO的数量及支持的协议
• 是否有定制化的功能模块（硬核处理器、DDR接口、SPI总线、I2C总线）？

当然除了资源以外，支持的IP Core、编译系统是否好用、封装是否合适、供电是否方便等都是选型中要考虑的因素。

处理器/控制器乃是电子产品的大脑部位，它通过可编程的软件负责各项任务的协调、同外界的输入、输出、控制等功能。处理器的发展史上有不少经典的架构，比如8位的8051、PIC、AVR等，32位的MIPS、PowerPC、ARM等，目前ARM Cortex 已经成了嵌入式系统中的主流架构，除了处理器/控制器之外，芯片内同时集成了各种存储器管理并内置存储器、外设管理并各种常用的外设接口等等功能，成为了SoC（片上系统）。

处理器/控制器的主要提供商有ST、NXP、Microchip、TI、ADI、Silicon Labs、瑞萨、英飞凌等等，这些器件厂商都曾拥有自己独特的架构，但目前全部都以ARM为主流，并结合自己的优势进行差异化，定位不同的市场应用。架构的统一给我们的选型带来了便捷，同时开发也变得更加简单，但每个厂商还是有不同的地方需要我们在选型的时候注意比较。

微处理器/控制器选型的几个关键参数：架构、运行速度、存储资源、接口、开发环境

通信的作用是实现不同个体之间基于约定的协议进行的信息传输，从大的类别上可以分为有线通信和无线通信，比如UART、USB、以太网、SPI、I2C等都属于有线通信，Wifi、蓝牙、ZigBee、3G等都属于无线通信。每种通信方式都有优势、局限性以及其特定的协议，因此我们在产品的设计中需要根据功能、性能的需求来选定适当的通信模式。

网络通信部分的核心参数：通信方式、速率、接口、协议

上面简单介绍了一下一个典型电子产品中包含的主要部分，了解了每一部分的功能和应用场景，就可以在实际的项目中选用合适的器件。在每个功能部分，都有很多的器件供选用，选用的主要依据是什么呢？元器件的选型原则在后面的章节还会详细讲述，在这里我们只是强调一下对每一个类别产品需要关注的重要参数，如下表：

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