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 - 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。

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。

将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，很像人的器官：

• 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。

所有的电子产品都需要电，因此电源供电及电源管理是所有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人身上的“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设计电源的拓扑结构以满足每个模块需要的性能，并最小的浪费（整体转换效率最高）、最低的成本（系统成本）。

随着电脑USB端口、手机USB充电器的普及，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，在这些产品内部就有多组DC-DC变换电路以及电源管理电路，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数字、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。

• 线性稳压
• 开关稳压

传感器相当于我们的感觉器官，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。

模拟信号链路主要是对输入的信号进行“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。

• 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。

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。

• ADC
  • 构成
  • 分类
• DAC
  • 构成
  • 分类

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。

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。

• PLD
• FPGA

• 逻辑资源、存储资源、IO、速度

• 速度
• 接口
• 内部资源
• 开发环境

• 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：