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--- learntodesignpcb2 [2019/05/21 15:53]
gongyu
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gongyu 创建
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-## 第一章： 电子产品系统构成及电路设计要点
+## 第二章：关键元器件的选用
-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。
+### 2.1 元器件的选用原则
+硬件工程师设计产品最重要的一个环节就是选择适合自己项目的元器件，面对这么多的供应商的比较雷同的型号，选择的原则是什么呢？大概总结以下：
+  * 首先要满足功能的要求 - 满足项目需要的某一项功能可能需要单颗的元器件，也可能是通过多个器件的组合来实现，要综合考虑系统成本、供电、板卡面积的需求、供货情况等等；
+  * 一定要满足性能要求 - 系统的灵敏度、动态范围、对噪声的要求是否能保证？
+  * 是否是合适的封装 - 很多器件同一个型号有多种不同的封装，在选型的时候要根据系统的成本、板卡的物理尺寸、功耗、接口、加工可行性等因素进行综合考虑；
+  * 容易使用 - 器件的成熟度、焊接调试的难度、技术支持、资料、配套的环境等都是需要考虑的，尽可能降低项目开发的风险，缩短产品的上市时间；
+  * 前期项目和团队的其它产品用到的器件：这样可以降低设计的风险、采购的成本以及元器件库存管理的成本；
+  * 从众 - 用的人越多，风险越小。多数人验证过的元器件一定是Bug最少或者已经被彻底解决了的；能够找到的资料也多；供货也充分，当然价格也会比较低，比如主流机顶盒/路由器厂商用的DRAM，运放、电源变换芯片等。大家可以参考我们前期发布的基于Findchips和Datasheet5整理出来的经典器件列表；
+  * 性价比高 - 不要最好，只要合适的，因为你做的产品一定要有市场竞争力。充分考虑你项目中需要的功能要求、性能要求，在满足这些要求的前提下选用“刚刚好”的器件，比如FPGA器件，你可以用很高速、海量资源的器件，但可能80%的资源都用不到，导致系统的成本增加。要记住，我们要考虑的不只是一个器件的采购成本，更重要的是系统在批量生产的时候的整体成本，同时包括了配套的外围器件的成本、加工成本、开发工具的成本等等；
+  * 供货渠道有保障：再好的设计，如果器件买不到或者供货出现了延误，你的项目也就给耽误了，前功尽弃，因此在选择器件的时候一定要调查清楚，并在完成原理图设计的同时开始元器件的订购；
+  * 注意原厂的停产通知 - 技术的发展是建立在产品的不断更新换代上的，因此很多器件都会被新出的功能/性能更强大、集成度更高、价格更便宜的型号替代，要密切注意器件厂商网上公布的器件停产的通知，不要选用那些厂商出了更优的替代型号且对这个器件已经发了停产通知的器件；
+  * 能找到可替代型号- 任何时候都不要一棵树上吊死，一定要有备用方案，尽量选择能够找到3F（Formfact Function，管脚和功能）都相同的替代型号的器件，这些信息如何获取？可以上bom2buy网站，搜索你用的器件，可以找到系统推荐的替代型号；
-一个好的电路设计，需要具备两个基础：
+以上是通用的规则，针对不同功能的器件比如MCU、FPGA、ADC/DAC、电源管理还有具体的选用原则，
-  * 电路 - 电路原理、模拟电路、数字电路，这些我们在大学本科器件学习的基础课程，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由于时间的关系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。
+### 2.2 选用渠道
-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。
+#### 2.2.1 搜索网站 - 根据型号或关键词进行搜索
-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。
+- 行业搜索网站
-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。
+	- www.datasheet5.com
+	- www.alldatasheets.com
+	- www.octoparts.com
-{{ :electronicsystem.png?800 |}} <WRAP centeralign> 所有电子产品都是用电信号对物理世界进行表征和计算的过程</WRAP>
+- 通用搜索引擎
+	- www.bing.com
+	- www.google.com
-### 1.1 基本电路理论和公式
+- 分销商网站
-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。
+	- 根据型号进行查询
+	- 根据器件类别进行查询，然后根据参数进行过滤
+	- 每个分销商的货品是不同的，价格也不相同
+	- 现货价格、库存、参数、数据手册
+	- 主要分销商
-{{ :maxresdefault.jpg?800 |}}<WRAP centeralign>欧姆发现的电压和电流的关系</WRAP>
+		- www.digikey.com
+		- www.mouser.cn
+		- www.element14.com
+		- www.rs-components.com
+		- www.arrow.com
-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：
+- 一站式比价网站：www.bom2buy.com
-{{ :basicelectronictheroy.png |}}<WRAP centeralign> 电路基本定律 </WRAP>
-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。
+	- 美国SupplyFrame旗下 www.findchips.com是全球电子行业最大的元器件搜索、比较信息网站，跟全球知名的分销商如Digikey、Mouser、Avnet等都有数据端口的对接，可以实时获取这些分销厂商的价格和库存信息，bom2buy就是基于findchips的数据，专门针对中国地区的制造商、EMS厂商等进行批量货源、价格、库存的查询以及一站式在线购买的服务
+	- 它汇聚了全球主要现货分销商的实时库存和价格信息，并不断加入中国本土原厂、授权分销商的数据
+	- 用户可以批量上传（bom文件或list文件），该平台能够给出最佳的购买组合推荐
+- 原厂的官方网站
-### 1.2 电子产品的系统构成及各部分的工作原理
+	- 任何一个半导体原厂如TI、ADI等都会在其官方网站上提供其产品的详细信息，这些网站基本上都是按照“产品”和“应用”两个维度进行展示。这些厂商多数都有中文的页面，并对其内容做了大量的本地化，很多元器件的数据手册也进行了中文化翻译，在浏览这些网站的时候尽可能从其中文界面的URL入手
+	- 查询方式
-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。
+		- 可以按照原厂的产品分类逐级检索
-{{ :data-converter-learning-center-diagram-dm1629.png |}} <WRAP centeralign>典型电子产品设计的功能构成（来自TI官方网站）</WRAP>
+		- 可以按照原厂的产品应用逐级检索
+		- 可以按照器件的型号进行搜索，每个网站也都提供搜索功能，如果你知道需要查找的器件的型号或者关键词，可以通过搜索的功能直接找到自己需要的信息
+		- 好处：
-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：
+			- 丰富详尽的技术资料、使用指南
-  * 主处理器/存储器 - 大脑/记忆单元，计算/存储
+			- 常有型号可以申请免费的样片
-  * 电源 - 胃，为整个产品的各个组件提供能源
+			- 信息最准确、权威，很多器件都有不同的版本，在其官网上都会有说明
-  * 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
+			- 越来越多的厂商在其器件信息里面放上了CAD设计库文件，这些CAD的库文件都是原厂经过验证的，可以放心使用
-  * 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。
+#### 2.2.2 媒体的NPI（新产品介绍）
+	- 原厂新推出来的产品
+	- 配套的板卡、市场活动、论坛
+	- 主要来源：
+          - 专业媒体的新闻报导
+          - 开发板及电子产品评测
+          - 工程师设计分享网站
+          - 在线技术培训网站
-#### 1.2.1 电源
+#### 2.2.3 其它渠道：
-{{ :ti_ps.png?500 |}}<WRAP centeralign>电子产品中的供电及管理（来自TI官网）</WRAP>
-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。
+	- 前期的项目团队选用的器件 - 风险小、偏于保守
+	- 其它产品的参考、借鉴
+	- 原厂或分销商市场/FAE推荐 - 活动介绍或线下拜访、新产品替代有一定的风险
+	- 技术论坛交流、QQ群、微信群
-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:
+最后建议大家多看专业媒体上的广告，以前纸媒的时代我最喜欢翻看的就是产品广告页面，从种能够快速获取很多信息，后来很多项目中的重要核心器件都是通过广告获取的信息。一般广告上的产品都是全球领导的厂商在一段时期重点推的产品，一定是厂商认为在性价比上有市场竞争力的产品，选用这样的产品也会得到厂商的资源支持和保障。
-  * 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
-#### 1.2.2 传感器部分 - 物理信号转变为电信号，对物理世界用电信号表征
-{{ :iotsensors.jpg |}} <WRAP centeralign>物联网中用到的主要传感器</WRAP>
-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
-#### 1.2.3 模拟信号调理
-{{ :basicopamp.png |}} <WRAP centeralign> 模拟信号调理 - 幅度调节：放大/衰减 </WRAP>
-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。
-#### 频域 - 滤波器
-{{ :low-pass-filter-response.png |}}<WRAP centeralign> 模拟信号调理 - 频域：滤波器（以低通滤波器示例）</WRAP>
-- 主要类型：
-	- 低通、带通、高通
-- 主要指标：
-	- 过渡带衰减
-	- 抑制度
-	- 带内波动
-	- 相位特性
-- 构成：
-	- 有源滤波
-	- 无源滤波
-		- 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
-- 测量仪器 - FFT/频谱仪
-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SPIC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。
-#### 1.2.4 数据转换 - 连接模拟信号和数字信号的桥梁，转换率、分辨率
-{{ :process_of_digitizing_and_converting_a_signal_with_an_infinite_precision_adc-dac_0.png |}} <WRAP centeralign>数据转换 - ADC/DAC：连接模拟信号和数字信号的桥梁</WRAP>
-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最重要的几个指标：
-  * 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。
-#### 类别：
-- ADC
-	- 构成
-	- 分类
-- DAC
-	- 构成
-	- 分类
-#### 核心参数：转换率、分辨率、SFDR、接口方式
-#### 1.2.5 数字信号/逻辑处理
-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、Microsemi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。
-{{ :fpgablock.png?800 |}}
-FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
-##### 类别：
-- PLD
-- FPGA
-##### 核心参数
-- 逻辑资源、存储资源、IO、速度
-#### 1.2.6 微处理器/微控制器 - 智能硬件和物联网产品的核心
-{{ :basics-of-microcontrollers-image-2.jpg |微控制器系统主要构成}}
-{{ :microcontroller.jpg |微控制器系统应用场景}}
-##### 构成：
-##### 类别：
-##### 核心参数
-- 速度
-- 接口
-- 内部资源
-- 开发环境
-#### 1.2.7 网络通信 - 物与物之间的连接
-{{ :22e_f1_0.jpg |}}<WRAP centeralign>各种无线通信网络的对比</WRAP>
-##### 类别：
-##### 核心参数：
-- 通信方式
-- 速率
-- 接口
-- 协议
-### 1.3 各部分的核心参数
-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：
-^**电路模块**|**关键参数**|
-^ 电源管理|电压、负载能力、纹波、效率 |
-^ 传感器|灵敏度、接口方式 |
-^ 模拟链路|幅度、频带 |
-^ 数据转换|转换率、分辨率、SFDR、接口方式 |
-^ 数字逻辑|逻辑资源、存储资源、IO、速度|
-^ 处理器/控制器|速度、接口、内部资源、开发环境 |
-^ 接口与通信|通信方式、速率、接口、协议|