良好的電路圖具有可預測的流程,這不是定律,但如果你想讓其他PCB設計工程師一眼就能看懂你的電路圖,這就非常重要。
在我上一篇文章的評論部分,有一些關于繪制電路圖符號的討論,讓你的電路圖符號容易被理解是件重要的事。有時候你的電腦輔助設計(computer aided design,CAD)套件內(nèi)的預先提供的符號就可以使用,然而大多數(shù)的時候無法運作。確認你有一個套件讓符號建立變得容易,因為你有時不得不重新繪制每一個元件,以及建立你將使用的新元件符號。CAD套件內(nèi)的數(shù)萬個符號只是重新繪制時的一個開始。
良好的電路圖具有可預測的流程,該流程需要把輸入端放在左側(cè)與上方,而輸出端在右側(cè)與下方。這不是定律,但如果你想讓其他PCB設計工程師一眼就能看懂你的電路圖,這就非常重要。我可以大聲跟你說:「這樣做差在哪?!」意思是如果我的流程圖從左到右開始,「會有什么差別?」你可以馬上了解。半導體公司賺了這么多錢,并提供這么多的支援,有時候它們只想專注在元件本身,而不是流程。到目前為止,一些公司畫出它們的電路圖符號來模擬元件的接腳(pin-out),而不是訊號流程(signal flow),如圖1。
圖1 半導體元件供應商所畫的電路圖符號是模擬元件的接腳圖,而非訊號流程。
圖1中,六頻逆變器(hex inverter)U1不是非常有用,它將六個元件組合成一個符號,左右側(cè)都有輸入端和輸出端,接腳長度比他們需要的還長。U2的符號較好一點,輸入端在左側(cè),輸出端在右側(cè)。像我這樣一把年紀的人不喜歡彩色襯底,因為黑白列印副本后都會讓黃色變成黑色,變得很難看得清楚。我設計了U3作為異質(zhì)元件(heterogeneous part),它有六個元件,以及顯示電源和接地的第七個元件,電阻RP1(Resistor pack RP1)是愚蠢的設計畫法,因為當電阻分布在圖上的各個地方時,你并不想弄亂你的電路圖。RP2顯示異質(zhì)元件如何做到這一點。
一些半導體公司采用了ANSI符號來說明邏輯關系,這顯然是由需要分析的線性思考者所發(fā)明的,并不符合以圖像思考的類比PCB設計工程師的需求 (圖2)。
圖2 許多PCB設計工程師不喜歡ANSI/IEEE邏輯符號的畫法,甚至認為比無用的符號還糟,標示明確的邏輯符號比那些無用的符號更好。
所謂無用是由元件置入CAD套件中的方式判定,較好的方法是將元件分成兩半,更好的方法是把電源符號分開放在另外一個部分,這樣你就不會搞混訊號流程。一個類比PCB設計工程師只需要一些簡單的元件繪制說明,了解到底是怎么運作的。
對于多元件封裝(multi-part packages)來說,如同許多邏輯閘(Logic Gate),需要將電路圖符號分開,因為你很少在電圖中看到它們被放在同一個地方。這同樣適用于雙通道運算放大器(dual op amps)或四通道運算放大器(quad op amps)。元件符號可采用德摩根等效視圖(DeMorgan equivalent view)來表示(圖3)。我很佩服可以看懂Boolean表達電路設計方式的PCB設計工程師,但我還是傾向以圖形表示,這樣的話我可以想像這些元件在D型閂鎖器(D-Latch)里的樣子,或多工器(multiplexor)中顯示輸入端的接腳。
圖 3 OrCAD 9在 1995年起采用反及閘 (NAND gate)的德摩根等效視圖。
電源接腳上下顛倒
事實上,Altium/CircuitStudio讓元件可透過不同的「模式」來做同樣的事情,如果你要使運算放大器符號具有負極接腳在正極接腳上方的模式,這會變得很方便。沒有等效符號(equivalent symbol)時,如果你垂直翻轉(zhuǎn)零件,它會把電源正極(plus power)放在下面,而電源負極(接地,ground)符號放在上面。若采用你繪制的德摩根等效視圖,你在置換輸入接腳的同時,讓電源和接地符號維持原本應該在的位置。解決這個問題的另一種方法是使用具有獨立功率(U6)的異質(zhì)元件,然后你可以垂直地翻轉(zhuǎn)放大器并把負極接腳放在上方。
談到某個年代的電路程序設計,當時印刷電路板(PCB)還只有40個14根接腳去藕電容的邏輯晶片,和卡緣連接器(edge-card connector)。在1985年,DOS OrCAD甚至不能繪制三角形,這是當時普遍的困擾之處。許多公司認為在印刷電路板上只有一個電源正極(VCC),這兩個「C」代表「共集極(common collector)」,所有這些邏輯閘供電給許多電阻的集電極,所以會看見電池正極(VCC)和接地(接電源負極)這兩個符號。CAD的程序設計師認為沒有必要在IC上顯示電源接腳,他們用「零長度(zero length)」接腳來代替,然后PCB布線設計時也將這些接腳取相同的名字。程序設計師認為當一切都歸結(jié)到網(wǎng)表(netlist)時,PCB設計工程師使用電路圖是愚蠢的。
說到接地,用「公共(common)」或「回流(return)」來表達更精確,除非你的電路連接到墻上插座的大地接地接腳(earth ground pin),如圖 4。我承認這只是個人喜好,但我喜歡美式電源和電阻符號,在電阻和MOSFET的圓圈旁有清楚的N或P通道類型的標示。
圖 4 接地、電源、電阻、電晶體和 MOSFET等各種元件的符號。
我以前遇過一個教授,如果你在汽車收音機的電路圖上顯示大地接地符號,會把你當?shù)?。用在汽車底盤是不同的符號,盡管Altium稱它為大地(Earth),然而你大部份在PCB板上標示的應該是三角形符號,意味著公共或回流。我個人偏好使用箭頭表示電源,我從來沒有遇到過一個喜歡用歐洲式畫法,像是R1和R2來定義電阻器的PCB設計工程師,甚至Altium為R3符號來表示電位器也沒有任何意義,除非它有三個接腳,或是元件封裝(footprint)將兩個接腳短接起來。我也喜歡使用圓形來表示電晶體(transistor)、短接腳(short pins),用字母N或P來清楚表示MOSFET的類型,并且繪制閘極接腳以更清楚地表達。我也會使用翻轉(zhuǎn)的P通道,將源極(source)標示在上方,這里是電源正極通過的地方。我對于Altium/CircuitStudio在本體二極體(Body Diode)的標示設計上,給予好評。
在現(xiàn)今的設計中,看不見電源和接地接腳所產(chǎn)生的問題是,總是會看到電路布線被錯誤地連接,讓你一直疲倦不堪。這是一個常發(fā)生的大問題,由于板面(plane)上可能會配置電源,所以重新繪制電路板,即使是一個原型(prototype),都非常困難。因此,我們當中的許多人繪制電源接腳時會明確地標示。有三種方法標示多元件封裝,如四通道運算放大器(quad opamps),如圖5。第一,您可以在每個元件畫上電源接腳;第二,可以只在一個元件上畫上電源接腳,并確認放上所有備用元件(spares);第三,可以將四通道運算放大器繪制為五個元件組成的異質(zhì)封裝,將每個四通道運算放大器當作一個元件,然后將電源和接地接腳與其分開標示。這樣做的優(yōu)點是,可以將電源和接地元件與所有去藕電容器放在一起。缺點是你可能會忘記畫上那部分,然后一樣地發(fā)生悲劇,那個元件會無法接電,而不是接錯電源。一個訣竅是使電源接腳成為封裝的第一個元件,這樣當你去放置它時會最先顯示出來。你應該先放上所有的元件,然后才能你可以加偏壓(bias)在未使用到的元件上,使它們不振蕩。
圖5 多元件封裝的四通道運算放大器的三種標示法。
圖5中,繪制電源和接地符號時,不要使用零長度的接腳。相反地,繪制電源接腳時,如果你想要的話,可以畫在每個元件上(U1)。否則,你只能在套件上的一個元件繪制電源接腳,但務必放置所有元件,以便記得要連接電源(U2)。使用U3,你繪制一個有單獨元件的套件,此元件有電源與接地符號。優(yōu)點是當你翻轉(zhuǎn)運算放大器時,能使負極接腳如電路規(guī)定的那樣放在電源正極的上方或下方。
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