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模擬電路設計原理范文1
關鍵詞：IP技術 模擬集成電路 流程
中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02
1 模擬集成電路設計的意義
當前以信息技術為代表的高新技術突飛猛進。以信息產業發展水平為主要特征的綜合國力競爭日趨激烈，集成電路（IC，Integrated circuit）作為當今信息時代的核心技術產品，其在國民經濟建設、國防建設以及人類日常生活的重要性已經不言
而喻。
集成電路技術的發展經歷了若干發展階段。20世紀50年代末發展起來的屬小規模集成電路（SSI），集成度僅100個元件；60年展的是中規模集成電路（MSI），集成度為1000個元件；70年代又發展了大規模集成電路，集成度大于1000個元件；70年代末進一步發展了超大規模集成電路（LSI），集成度在105個元件；80年代更進一步發展了特大規模集成電路，集成度比VLSI又提高了一個數量級，達到106個元件以上。這些飛躍主要集中在數字領域。
（1）自然界信號的處理：自然界的產生的信號，至少在宏觀上是模擬量。高品質麥克風接收樂隊聲音時輸出電壓幅值從幾微伏變化到幾百微伏。視頻照相機中的光電池的電流低達每毫秒幾個電子。地震儀傳感器產生的輸出電壓的范圍從地球微小振動時的幾微伏到強烈地震時的幾百毫伏。由于所有這些信號都必須在數字領域進行多方面的處理，所以我們看到，每個這樣的系統都要包含一個模一數轉換器（AD，C）。
（2）數字通信：由于不同系統產生的二進制數據往往要傳輸很長的距離。一個高速的二進制數據流在通過一個很長的電纜后，信號會衰減和失真，為了改善通信質量，系統可以輸入多電平信號，而不是二進制信號?，F代通信系統中廣泛采用多電平信號，這樣，在發射器中需要數一模轉換器（DAC）把組合的二進制數據轉換為多電平信號，而在接收器中需要使用模一數轉換器（ADC）以確定所傳輸的電平。
（3）磁盤驅動電子學計算機硬盤中的數據采用磁性原理以二進制形式存儲。然而，當數據被磁頭讀取并轉換為電信號時，為了進一步的處理，信號需要被放大、濾波和數字化。
（4）無線接收器：射頻接收器的天線接收到的信號，其幅度只有幾微伏，而中心頻率達到幾GHz。此外，信號伴隨很大的干擾，因此接收器在放大低電平信號時必須具有極小噪聲、工作在高頻并能抑制大的有害分量。這些都對模擬設計有很大的挑戰性。
（5）傳感器：機械的、電的和光學的傳感器在我們的生活中起著重要的作用。例如，視頻照相機裝有一個光敏二極管陣列，以將像點轉換為電流；超聲系統使用聲音傳感器產生一個與超聲波形幅度成一定比例的電壓。放大、濾波和A/D轉換在這些應用中都是基本的功能。
（6）微處理器和存儲器：大量模擬電路設計專家參與了現代的微處理器和存儲器的設計。許多涉及到大規模芯片內部或不同芯片之間的數據和時鐘的分布和時序的問題要求將高速信號作為模擬波形處理。而且芯片上信號間和電源間互連中的非理想性以及封裝寄生參數要求對模擬電路設計有一個完整的理解。半導體存儲器廣泛使用的高速/讀出放大器0也不可避免地要涉及到許多模擬技術。因此人們經常說高速數字電路設計實際上是模擬電路的
設計。
2 模擬集成電路設計流程概念
在集成電路工藝發展和市場需求的推動下，系統芯片SOC和IP技術越來越成為IC業界廣泛關注的焦點。隨著集成技術的不斷發展和集成度的迅速提高，集成電路芯片的設計工作越來越復雜，因而急需在設計方法和設計工具這兩方面有一個大的變革，這就是人們經常談論的設計革命。各種計算機輔助工具及設計方法學的誕生正是為了適應這樣的要求。
一方面，面市時間的壓力和新的工藝技術的發展允許更高的集成度，使得設計向更高的抽象層次發展，只有這樣才能解決設計復雜度越來越高的問題。數字集成電路的發展證明了這一點：它很快的從基于單元的設計發展到基于模塊、IP和IP復用的
設計。
另一方面，工藝尺寸的縮短使得設計向相反的方向發展：由于物理效應對電路的影響越來越大，這就要求在設計中考慮更低層次的細節問題。器件數目的增多、信號完整性、電子遷移和功耗分析等問題的出現使得設計日益復雜。
3 模擬集成電路設計流程
3.1 模擬集成電路設計系統環境
集成電路的設計由于必須通過計算機輔助完成整個過程，所以對軟件和硬件配置都有較高的要求。
（1）模擬集成電路設計EDA工具種類及其舉例
設計資料庫―Cadence Design Framework11
電路編輯軟件―Text editor/Schematic editor
電路模擬軟件―Spectre，HSPICE，Nanosim
版圖編輯軟件―Cadence virtuoso，Laker
物理驗證軟件―Diva，Dracula，Calibre，Hercules
（2）系統環境
工作站環境；Unix-Based作業系統；由于EDA軟件的運行和數據的保存需要穩定的計算機環境，所以集成電路的設計通常采用Unix-Based的作業系統，如圖1所示的工作站系統。現在的集成電路設計都是團隊協作完成的，甚至工程師們在不同的地點進行遠程協作設計。EDA軟件、工作站系統的資源合理配置和數據庫的有效管理將是集成電路設計得以完成的重要保障。
3.2 模擬集成電路設計流程概述
根據處理信號類型的不同，集成電路一般可以分為數字電路、模擬電路和數?；旌霞呻娐罚鼈兊脑O計方法和設計流程是不同的，在這部分和以后的章節中我們將著重講述模擬集成電路的設計方法和流程。模擬集成電路設計是一種創造性的過程，它通過電路來實現設計目標，與電路分析剛好相反。電路的分析是一個由電路作為起點去發現其特性的過程。電路的綜合或者設計則是從一套期望的性能參數開始去尋找一個令人滿意的電路，對于一個設計問題，解決方案可能不是唯一的，這樣就給予了設計者去創造的機會。
模擬集成電路設計包括若干個階段，設計模擬集成電路一般的過程。
（l）系統規格定義；（2）電路設計；（3）電路模擬；（4）版圖實現；（5）物理驗證；（6）參數提取后仿真；（7）可靠性分析；（8）芯片制造；（9）測試。
除了制造階段外，設計師應對其余各階段負責。設計流程從一個設計構思開始，明確設計要求和進行綜合設計。為了確認設計的正確性，設計師要應用模擬方法評估電路的性能。
這時可能要根據模擬結果對電路作進一步改進，反復進行綜合和模擬。一旦電路性能的模擬結果能滿足設計要求就進行另一個主要設計工作―電路的幾何描述（版圖設計）。版圖完成并經過物理驗證后需要將布局、布線形成的寄生效應考慮進去再次進行計算機模擬。如果模擬結果也滿足設計要求就可以進行制造了。
3.3 模擬集成電路設計流程分述
（1）系統規格定義
這個階段系統工程師把整個系統和其子系統看成是一個個只有輸入輸出關系的/黑盒子，不僅要對其中每一個進行功能定義，而且還要提出時序、功耗、面積、信噪比等性能參數的范圍要求。
（2）電路設計
根據設計要求，首先要選擇合適的工藝制程；然后合理的構架系統，例如并行的還是串行的，差分的還是單端的；依照架構來決定元件的組合，例如，電流鏡類型還是補償類型；根據交、直流參數決定晶體管工作偏置點和晶體管大小；依環境估計負載形態和負載值。由于模擬集成電路的復雜性和變化的多樣性，目前還沒有EDA廠商能夠提供完全解決模擬集成電路設計自動化的工具，此環節基本上通過手工計算來完成的。
（3）電路模擬
設計工程師必須確認設計是正確的，為此要基于晶體管模型，借助EDA工具進行電路性能的評估，分析。在這個階段要依據電路仿真結果來修改晶體管參數；依制程參數的變異來確定電路工作的區間和限制；驗證環境因素的變化對電路性能的影響；最后還要通過仿真結果指導下一步的版圖實現，例如，版圖對稱性要求，電源線的寬度。
（4）版圖實現
電路的設計及模擬決定電路的組成及相關參數，但并不能直接送往晶圓代工廠進行制作。設計工程師需提供集成電路的物理幾何描述稱為版圖。這個環節就是要把設計的電路轉換為圖形描述格式。模擬集成電路通常是以全定制方法進行手工的版圖設計。在設計過程中需要考慮設計規則、匹配性、噪聲、串擾、寄生效應、防門鎖等對電路性能和可制造性的影響。雖然現在出現了許多高級的全定制輔助設計方法，仍然無法保證手工設計對版圖布局和各種效應的考慮全面性。
（5）物理驗證
版圖的設計是否滿足晶圓代工廠的制造可靠性需求？從電路轉換到版圖是否引入了新的錯誤？物理驗證階段將通過設計規則檢查（DRC，Design Rule Cheek）和版圖網表與電路原理圖的比對（VLS，Layout Versus schematic）解決上述的兩類驗證問題。幾何規則檢查用于保證版圖在工藝上的可實現性。它以給定的設計規則為標準，對最小線寬、最小圖形間距、孔尺寸、柵和源漏區的最小交疊面積等工藝限制進行檢查。版圖網表與電路原理圖的比對用來保證版圖的設計與其電路設計的匹配。VLS工具從版圖中提取包含電氣連接屬性和尺寸大小的電路網表，然后與原理圖得到的網表進行比較，檢查兩者是否一致。
參考文獻
模擬電路設計原理范文2
電池管理系統多通道高精度數據采集電路具體設計方案如圖1所示。圖1中左側是電池組檢測的相關模擬量數據，包括12路單體電壓數據、充放電2路電流數據、電池組工作溫度及環境溫度數據，這些數據對應的物理量可能是電壓、電流、電阻，考慮到A/D轉換只能以電壓的形式實現模擬量的獲取，因此相應的設計了信號轉換電路，實現不同類型信號的電壓轉換；考慮到A/D轉化模擬量量程的需求，設計了不同的信號放大電路；為了防止超量程的模擬量對A/D器件造成的影響，設計了對應的保護電路；為了防止干擾信號對數據準確性的影響，設計了濾波電路。16路電壓模擬量產生后，A/D器件在MCU的控制下逐次對16個通道數據進行A/D轉換，轉換后的數字量用于實現對電池管理系統的SOC評估及其它管理工作。
2硬件電路設計
2.1動力電池電壓信號檢測電路設計
動力電池組是由眾多單體電池串聯而成。本設計中，選取12個單體電池串聯而成的動力電池組，相應的就有12個電壓模擬量信號。圖2所示為電壓采集電路設計。動力電池組中，各個動力電池串聯而成。在地參考點的作用下，各個電池正負極對地參考電壓近似比例增大，為實現輸出的是電池電壓，最有效的實現途徑是借助由運算放大器“虛短”與“虛斷”原理構成的減法電路。圖2中，由雙運放運算放大器LM358構建2級網絡：第1級即為由R1~R4組建的差分放大電路形成減法電路，第2級構成電壓跟隨器，起到緩沖及隔離的作用。LM358使用單5V電源供電。
2.2動力電池雙向電流檢測電路設計
電池組在充放電過程中，由于只有一個充放電通道，理論上而言電流檢測通道只有一個。根據電路理論電流在其參考方向下存在正負之分，因此必須單獨設計充電電流、放電電流各自的檢測信號。圖3所示為集成的雙向電流檢測硬件電路設計。從電路中可以看出，該電路的設計非常類似于電氣中的互鎖電路。從采樣電阻中采集的電阻兩端電壓在電阻分壓網絡下，產生不同的電壓。結合運放的差分放大功能，分別引入LM358運算放大器的2組不同的運放輸入端，由于引入同相輸入端和反相輸入端的電壓不同，使得2組運放各自工作在線性工作區與非線性工作區中。當電池組中有任意方向的電流時，均會產生一組運放工作在線性放大區域產生對應的模擬電壓信號同時另外一組運放工作在非線性區域而作為電子開關輸出供電電源的參考地電壓。在實際的電動汽車中，通常選用100AH的動力電池組為電動汽車提供動力源，這樣，采樣電阻的選擇就有了依據。本設計中，選用0.05R/2W的采樣電阻多個并聯成0.01R的功率電阻作為充放電電流檢測元件。
2.3動力電池組溫度檢測電路設計
溫度檢測保證電池組工作在可靠溫度范圍內而不引起電池故障，是電池管理系統中必不可少的有效組成部分。溫度檢測傳感器選用PT100系列溫度傳感器。最新制造工藝出產的PT100體積小，精度高，比較適合應用在電池管理系統溫度檢測單元中。本設計中，選用三線式橋式測溫電路，其最大優點在于將地線單獨引出，參考電阻網絡的地線電阻可以與PT100的地線電阻匹配，減小電阻差異帶來的偏差問題，提高溫度測量精度。其設計原理同電壓采集電路基本相同。
3調試數據與分析
設計完畢后，對該套電池管理系統的硬件電路進行了制版調試。在解決了焊接遺留的硬件問題后，通過MCU的監測獲取了大量數據。調試過程中某一時刻點的狀態量。從測試數據可以看出，無論是電壓、電流、還是溫度，其相對誤差都控制在1%以內，特別是電壓檢測數據，精度更是達到了3‰，這樣的誤差在電池管理系統誤差允許范圍之內，達到了電池管理系統數據采集前端模塊硬件電路設計的目的。
4總結
模擬電路設計原理范文3
關鍵詞：電子科學與技術；本科培養方案；課程設置；辦學特色
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0070-02
21世紀被稱為信息時代，電子科學與技術在信息、能源、材料、航天、生命、環境、軍事和民用等科技領域將獲得更廣泛的應用，必然導致電子科學與技術產業的迅猛發展。這種產業化趨勢反過來對本專業的鞏固、深化、提高和發展起到積極的促進作用，也對人才的培養提出了更高的要求。因此，本文從人才的社會需求出發，結合我校實際情況，進行了本科專業培養方案的改革探索，并詳細介紹了培養方案的制定情況。
一、人才的社會需求情況
目前，我校電子科學與技術專業的本科畢業生主要面向長三角地區龐大的微電子、光電子、光伏和新能源行業，市場對專業人才的需求基本上是供不應求的。但是也應該注意到電子科學與技術產業的分布不均，分類較細，且發展變化較快。另外，電子科學與技術產業結構具有多樣性，既有勞動密集型的大型企業、大公司，更多的是小公司和小企業；既有國有企業和私營企業，更有合資、獨資的外企。因此，社會需求與本專業畢業生的供需矛盾還會繼續存在。
二、專業的培養目標和定位
本專業培養具備微電子、光電子領域的寬厚專業基礎知識，熟練實驗技能，能掌握電子材料、電子器件、微電子和光電子系統的新工藝、新技術研究開發和設計技能，有較強的工程實踐能力，能夠在該領域從事各種電子材料、元器件、光電材料及器件、集成電路的設計、制造和相應的新產品、新技術、新工藝的研究、開發和管理工作工程技術人才。并且結合我?！按蠊こ逃^”人才培養特色，依據“卓越工程師”教育理念下工程技術型人才培養的原則，培養適應微電子和新興光電行業乃至區域社會經濟建設需求的工程技術型人才。
三、本科培養方案制定的思路
電子科學與技術專業培養方案參照工程教育認證的要求，以及專業下設微電子、光電子材料與器件兩個本科培養方向的思路制定。注重培養學生的專業基礎知識和實踐工程能力，使畢業生能滿足長三角地區微電子、光電子和新能源行業發展的需求。微電子方向的課程設置專注于電子材料與電子器件、集成電路與系統設計方面，光電子材料與器件方向則偏向于光電信息、光電材料與光電器件方面。
四、本科培養方案的改革探索
要實現電子科學與技術專業的培養目標，適應電子信息產業的不斷發展，并結合我校學科發展方向和特色，對電子科學與技術專業本科人才培養方案進行了研究，并對省內外幾所高校電子科學與技術專業的培養方案進行調研，最終形成了富有特色的電子科學與技術專業人才培養方案，主要內容如下：
1.培養方案的模塊化設計。在設計電子科學與技術專業本科培養方案的整體框架時，根據“加強基礎、拓寬專業、培養能力”和培養工程技術型人才的辦學理念下，專業培養方案分人文與社會科學、專業基礎和專業課三個模塊，下設微電子和光電子材料與器件兩個專業方向。學生在前兩年學習相同的課程，到大三時根據自己的興趣選擇專業方向，選修各自方向的專業課。由于兩個方向的不同培養要求，因此在專業基礎選修課、專業必修課和專業選修課方面設置限選模塊，每個專業方向必須修滿相應的學分才能畢業。
2.改革專業基礎課程。專業基礎課程是為專業課程奠定基礎，因此，在保留了原有電子信息類專業通常所開設的電子類課程外，增加了與專業相關的課程，如EDA技術、通信原理、數字信號處理、物理光學、應用光學、激光原理與技術等課程，刪減了原先與物理類相關的一些課程，如物理學史、原子物理、熱力學與統計物理學等，并刪減了一些計算機軟件類課程，如C++程序設計、計算機在材料科學中的應用等。專業基礎選修課程分方向限選模塊，兩個專業方向對應有不同的專業基礎選修課程。
3.優化專業課程。專業課程是整個專業教育中的主干部分，微電子方向的課程設置緊緊圍繞半導體和集成電路設計方向，開設有集成電路設計、微電子工藝原理與技術、工藝與器件可靠性分析、半導體測試技術、現代電子材料及元器件、集成電路工藝與器件模擬等課程。光電子材料與器件方向圍繞光電材料和光纖通信方向，開設光電子材料與器件、光電檢測原理與技術、太陽能電池原理與技術、光纖傳感原理與技術、光纖通信技術等課程。另外專業課程里面還設置有專業實驗，通過加強實驗環節，訓練學生的動手操作能力，增強學生的理論知識。
五、與省內外專業人才培養的區別
具有電子科學與技術專業的各大高校分布在不同的地區，服務于不同的區域經濟，這就要求專業學生的培養具有區域化、差異化。我們分析了杭州電子科技大學、浙江工業大學、蘇州大學、南京理工大學和徐州工程學院這五所不同地區、不同層次高校的電子科學與技術專業的培養方案。不僅使我們能學習到其他高校的先進辦學理念、合理的課程設置體系，也可以發現與其他高校之間的差異。具體表現為以下幾個方面：
1.專業定位。各個學校的電子科學與技術專業依據自身的師資力量、辦學條件、區域經濟要求確定專業的發展定位。杭州電子科技大學的電子科學與技術專業依托1個教育部重點實驗室、2個國家級實驗教學示范中心、3個省部級重點實驗室，人才培養定位于能從事電子元器件、電子電路乃至電子集成系統的設計和開發等方面工作的工程技術人才。浙江工業大學的電子科學與技術專業主要培養光通信、電子電路系統、集成電路設計等方面的人才。蘇州大學的電子科學與技術專業定位在培養能夠在電路與系統、集成電路與系統等領域從事各類系統級、板級和芯片級研發工作的高級工程技術人才。南京理工大學的電子科學與技術專業主要是突出光電技術和微電子與信息處理學科的交叉和融合，以光電成像探測理論與技術及微電子理論與技術為專業特色。徐州工程學院的電子科學與技術專業主要定位在培養能從事光電子材料與器件開發的工程技術人才。而我校的電子科學與技術專業定位于服務長三角地區半導體和新能源行業，培養能從事集成電路設計與開發、光電子材料與器件的研發等工作的工程技術人才。
2.課程體系。杭州電子科技大學的電子科學與技術專業培養學生設計、開發電子元器件、電子電路系統、電子集成系統的能力，在課程設置上開設了通信電子電路、EDA技術、薄膜物理與技術、電子材料與電子器件、電子系統設計與實踐、集成電路設計、嵌入式系統原理和應用、現代DSP技術及應用等專業課程。浙江工業大學的電子科學與技術專業培養學生設計、開發電子電路系統、集成電路系統的能力，開設了電路原理、模電數電、通信電子線路、集成電路設計、光纖通信原理、光網絡技術、數字信號處理等專業課程，以及電子線路CAD實驗、單片機綜合實驗、通信原理實驗、通信電子線路大型實驗、微電子基礎實驗、半導體器件仿真大型實驗、集成電路設計大型實驗等實驗類課程。蘇州大學的電子科學與技術專業培養學生設計與開發電路與系統、集成電路與系統，從事各類系統級、板級和芯片級研發工作的能力，開設了信號與系統、電磁場與電磁波、高頻電路設計與制作、電子線路CAD、CMOS模擬集成電路設計、VLSI設計基礎等專業課程，以及電子技術基礎實驗、信號與電路基礎實驗、電子線路實驗、電子系統綜合設計實驗等實驗類課程。南京理工大學培養學生從事光電子器件、光電系統和集成電路的設計、開發、應用的能力，開設了信號與系統、光學、光電信號處理、光輻射測量、光電子器件、光電成像技術、超大規模集成電路設計、光電子技術、顯示技術、光電檢測技術、數字圖像處理、半導體集成電路、集成電路測試技術、微電子技術、光電子線路、電視原理等專業課程。徐州工程學院的電子科學與技術專業培養學生設計與開發光電子材料與器件的能力，開設有信號與系統、光電子學、光電子技術、激光原理與技術、光伏材料等專業課程，以及模擬電路課程設計、數字電路課程設計、單片機原理課程設計等實踐性課程。我校的電子科學與技術專業主要培養學生集成電路設計、光電子材料與器件的設計與制備能力，開設有半導體物理學、半導體器件原理、MEMS技術、微電子工藝原理與技術、薄膜材料及制備技術、工藝與器件可靠性分析、集成電路工藝與器件模擬、EDA技術、通信原理、數字信號處理、光電子材料與器件、光電檢測原理與技術、太陽能電池原理與技術、光纖通信技術等專業課程，以及近代物理實驗、專業實驗等實驗類課程。
3.人才培養特色。杭州電子科技大學的電子科學與技術專業的人才培養特色是注重集成電路設計、系統集成方面能力的培養。浙江工業大學的人才培養注重光纖通信、集成電路設計方面能力的培養。蘇州大學的人才培養注重電路與系統設計、集成電路與系統設計方面能力的培養。南京理工大學的人才培養注重光電技術和微電子與信息處理學科的交叉和融合，以光電成像探測理論與技術及微電子理論與技術為專業特色。徐州工程學院的人才培養注重光電材料與器件方面能力的培養。我校的人才培養注重電子材料與電子器件的設計與開發、集成電路設計方面能力的培養。
參考文獻：
[1]陳鶴鳴，范紅，施偉華，徐寧.電子科學與技術本科人才培養方案的改革與探索[A]//電子高等教育年會2005年學術年會論文集[C].17-20.
模擬電路設計原理范文4
關鍵詞：板級設計；EDA工具；硬件連接檢查；Perl語言
中圖分類號： TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)33-1496-02
Discussion of Hardware Connectivity validation method in Board Level Design
JIANG Yuan-jun, WU Xiu-long
(School of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039,China)
Abstract: Based on the developing trend of board design's high-speed and complication, it is no surprise that how to shorten the time-to-market of products is an import metric for every design company. After fixing on the architecture of system and finishing the design entry, engineers can use EDA tools to do ERC check in order to reduce design errors. But EDA tools are short of the function in hardware connectivity check. In this article, we will discuss the feasibility and superiority of using a new method to go on with the hardware connectivity check, which is based on Perl (Practical Extraction and Report Language).
Key words:board level design; EDA tool; hardware connectivity validation; Perl
1 引言
目前的電子設計大多數是集成系統級設計，整個項目中既包含硬件整機設計又包含軟件開發。這種技術特點向電子工程師提出了新的挑戰。
首先，如何在設計早期將系統軟硬件功能劃分得比較合理，形成有效的功能結構框架，以避免冗余循環過程；
其次，如何在短時間內設計出高性能高可靠的PCB板。因為軟件的開發很大程度上依賴硬件的實現，只有保證整機設計一次通過，才會更有效的縮短設計周期。
眾所周知，電子技術的發展日新月異，而這種變化的根源，主要因素來自芯片技術的進步，半導體工藝日趨物理極限，超大規模電路成為芯片發展主流[1]。而這種工藝和規模的變化又帶來了許多新的電子設計瓶頸，板級設計也受到很大的沖擊，最明顯的一個變化是芯片封裝的種類極大豐富，功能集成度、復雜度明顯增高；另外，芯片工作頻率提高，使得系統工作頻率的提高成為可能。而這些變化必然給板級設計帶來許多問題和挑戰。首先，由于高密度引腳及引腳尺寸日趨物理極限，導致低的布通率；其次，由于系統時鐘頻率的提高，引起的時序及信號完整性問題；第三，工程師希望使用功能更完備的EDA工具來完成復雜的高性能的設計[2]。
據此，我們不難看出，板級設計有以下三種趨勢：
1) 高速時鐘頻率及快速邊沿的設計成為主流[3]；
2) 產品小型化及高性能必須面對在同一塊板上由于混合信號設計技術（即數字、模擬及射頻混合設計）所帶來的分布效應；
3) 設計難度的提高，導致傳統的設計流程及設計方法很難勝任當前的技術。
基于板級設計的發展趨勢，目前有許多廠商從事電子設計自動化(EDA)工具的開發工作，如 Cadence, Synopsis, Mentor Graphics等EDA工具供應商。EDA所涉及的領域非常廣泛，包括網絡、通信、計算機、航天航空等。產品則涉及系統板級設計、系統數字/中頻模擬/數?；旌?射頻仿真設計、系統IC/ASIC/FPGA的設計/仿真/驗證，軟硬件協同設計等。任何一家EDA供應商均很難提供滿足各類用戶的不同設計需求的最強的設計流程。
2 板級電路的硬件連接驗證方法
2.1 電路原理圖設計流程
我們知道原理圖設計是電路設計的基礎，只有在設計好原理圖的基礎上才可以進行印刷電路板的設計和電路仿真等。電路原理圖設計流程如圖1所示。
原理圖具體設計步驟如下[4]：
1) 新建原理圖文件。在進人 SCH 設計系統之前，首先要構思好原理圖，即必須知道所設計的項目需要哪些電路來完成，然后用相應的設計輸入工具來畫出電路原理圖。
圖1 電路原理圖設計流程圖
2) 設置工作環境。根據實際電路的復雜程度來設置圖紙的大小。在電路設計的整個過程中，圖紙的大小都可以不斷地調整，設置合適的圖紙大小是完成原理圖設計的第一步。
3) 放置元件。從元件庫中選取元件，布置到圖紙的合適位置，并對元件的名稱、封裝進行定義和設定，根據元件之間的走線等聯系對元件在工作平面上的位置進行調整和修改使得原理圖美觀而且易懂。
4) 原理圖的布線。根據實際電路的需要，利用 SCH 提供的各種工具、指令進行布線，將工作平面上的器件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，構成一幅完整的電路原理圖。
5) 建立網絡表。完成上面的步驟以后，可以看到一張完整的電路原理圖了，但是要完成電路板的設計，就需要生成一個網絡表文件。網絡表是電路板和電路原理圖之間的重要紐帶。
6) 原理圖的電氣檢查。當完成原理圖布線后，需要設置項目選項來編譯當前項目，利用工具提供的錯誤檢查報告修改原理圖。
7) 編譯和調整。如果原理圖已通過電氣規范檢查，那么原理圖的設計就完成了。這是對于一般電路設計而言，尤其是較大的項目，通常需要對電路的多次修改才能夠通過電氣規范檢查。
8) 存盤和報表輸出：電路圖輸入工具一般會提供利用各種報表工具生成的報表（如網絡表、元件清單等），同時可以對設計好的原理圖和各種報表進行存盤和輸出打印，為印刷板電路的設計做好準備。
2.2 硬件連接驗證方法的目的和驗證范圍
在2.1中描述的原理圖設計流程中，電氣規范檢查是完成原理圖設計的必要條件[5]。對于一個龐大復雜的系統板級設計來說，由于設計工具在硬件連接性方面的檢查功能不完善，或者由于設計人員在設計中的忽視，硬件連接方面的一些錯誤在通過電氣規范檢查并報表輸出后的板級設計中時有出現。在這里所說的硬件連接方面的錯誤主要是指：原理圖中器件symbol中的芯片引腳名稱與該芯片說明書中命名的引腳名稱不同；沒有連接的引腳；輸入/輸出腳的沖突；電路設計中是否按照每個芯片說明書中規定的供電電壓為該芯片供電；電路設計中是否存在芯片的某一個引腳存在重復的上拉、下拉電阻或者同時存在一個上拉電阻和一個下拉電阻的矛盾情況。其中輸入/輸出腳的沖突包括兩個方面：一是驅動芯片和接收芯片的連接引腳的信號方向是否存在同為輸入或者同為輸入的相悖情況，二是驅動芯片輸出腳的輸出高低電平和接收芯片輸入腳的高低電平是否存在過驅動或者不足驅動的情況。
為了進一步分析進行硬件連接驗證的必要性，以下按照連接性錯誤的類型逐一闡述：
1) 電路設計中是否存在未連接的節點：進行節點連接驗證通常是為了確認器件的引腳是否存在沒有正確連接的情況，或者是否存在孤立節點即電路設計中是否存在某器件的一個節點沒有連接到其他任何器件的情況。通常情況下，電路設計人員會對電路設計中一些故意懸空的芯片引腳標注上“NC”，這種情況則不屬于未連接的節點。在分析中，我們認為未連接的節點既可以是器件的一個引腳未連接，也可以是完全沒有連到其他器件；對于電容，電阻和電感這樣的器件，我們也需要去確定它們的兩個引腳在設計中是否都被使用。
2) 電路設計中的是否存在芯片說明書中明確指出未連接時需要進行特殊處理的輸入腳：進行輸入腳測試的目的和進行節點測試的目的很相似。電路圖中的浮空的輸入腳必須被給予特別的關注，因為由于它們處于邏輯“1”和邏輯“0”的不確定性可能會給器件帶來不穩定的工作狀態，或者引入了電子噪聲從而影響該器件的其他功能。
3) 電路設計中的是否存在錯接的電源腳或者地腳：進行電源和地腳的連接驗證的目的是為了確保電路設計中的每一個器件的電源和地腳都接入到正確的電源網絡上。此處的“正確”包含兩個方面的含義，其一是指電源腳接到電源節點，且地腳接地；其二是指電源腳所接的電壓值處在該芯片說明書要求的工作電壓范圍之內。此外，輸入腳和輸出腳是否存在重復的上拉或下拉電阻，以及是否存在沖突的上/下拉電阻這兩個問題也必須予以關注。
4) 電路設計中的是否存在相悖的引腳方向：
圖2 糾錯流程圖
我們進行此部分驗證所遵循的評價標準如下：
a. 所有接收器件的輸入腳都至少被一個驅動器件的輸出腳驅動；
b.電路設計中的任意一個特定的節點只允許連接一個輸出腳；
c.輸出腳不能直接和電源/地腳連接。
5)電路設計中的是否存在數字驅動腳和數字接收腳的DC特性不匹配：我們進行此部分驗證是為了檢查驅動腳和輸出腳的高/低電平是否匹配，防止芯片存在過驅動或者不足驅動的情況出現。
6) 電路設計中的是否存在命名不一致性的情況：我們進行此部分驗證的目的是檢查電路設計中引腳的功能和節點命名是否存在不一致性。不一致性通常會發生在FPGA和連接性器件上，因為這些器件的引腳功能在電路設計中沒有明確提及。同時，差分信號的極性連接正確性也可以在此部分檢查。
2.3 硬件連接驗證方法的實現
為了完成2.2中列舉的板級設計的硬件連接驗證，我們需要按照以下三個步驟：
1) 首先比對原理圖中所有器件的供電電壓、引腳信號方向、數字腳的高低電平等一系列參數是否與對應的芯片說明書的參數一致，如圖2所示：
2) 其次檢查原理圖中所有芯片的連接，特別是沒有使用的引腳的特殊處理、Open-Drain的引腳、電源的去耦電容等是否滿足其對應的芯片說明書中的特定要求。
3) 最后檢查原理圖中所有存在連接關系的芯片中互相連接的引腳的輸入輸出方向是否正確，即不存在兩個輸入或者輸出腳對接的情況；檢查設計中存在互相連接的驅動與被驅動關系的芯片之間對接的數字腳的高低電平是否匹配，即不存在過驅動或者不足驅動的情況。
為完成上面提到的硬件連接驗證的三個步驟，我們需要精確地比對電路原理圖中的器件參數和芯片說明書中的對應參數的數值或者范圍是否一致。在日趨復雜的板級設計中要準確無誤地完成參數的比對工作，單單憑借設計師的經驗或者肉眼觀察是很難做到的，這就要求我們必須借助有效的輔助工具進行參數處理，排除電路原理圖和芯片說明書參數已經匹配的連接，縮小檢查的范圍，最終憑借設計經驗和芯片說明書的規范來鎖定設計中確實存在的硬件連接錯誤，整個流程如圖2所示。
3 結論
本文介紹了一種新的基于Perl語言[4]的數據庫處理工具進行系統板級設計中的硬件連接性驗證的方法，運用此方法，我們可以在系統設計的早期階段發現系統內潛在的芯片功能性或者參數匹配方面的錯誤，將硬件設計的錯誤降到最低，便于大大提升設計一次成功率，降低設計成本，縮短產品進入市場的周期。
參考文獻：
[1] 王衛平.電子工藝基礎：第2版.2003年09月.北京：電子工業出版社.
[2] 集成系統PCB板設計的新技術.[2003-11-25].上海泰齊科技網.
[3] 周潤景，袁偉亭編著.Cadence 高速電路板設計與仿真（第2版）.2007年09月.北京：電子工業出版社.
[4] 李剛，王艷林，孫江宏等編著.Protel DXP電路設計標準教程.2005年06月.北京：清華大學出版社.
模擬電路設計原理范文5
一、課例簡介
（一）課例名稱
基本RS觸發器
（二）課例內容
基本RS觸發器的概念及其應用。觸發器是構成時序邏輯電路的基本單元，而基本RS觸發器又是各種類型觸發器的基本形式，因此它對整個章節的學習具有重要的意義。
二、學生特征
學生為電子技術專業一年級學生，通過前期課程《電工基礎》、《模擬電子技術》和本課程前一階段的學習，已具備了一定的電路的分析、設計及制作的能力。已在本課程學習了“與”、“或”、“非”及其復合邏輯的邏輯符號、邏輯表達式及邏輯運算規則，具備了學習本課的基本知識，對將觸發器用于實際電路的設計與制作有強烈的認知愿望，因此對本節課的學習很感興趣，但又覺得難度大。
三、教學設計
（一）教學目標分析
1．知識與技能目標。讓學生了解觸發器的概念及其應用；學會分析基本RS觸發器的電路結構、工作原理，掌握觸發器在實際電路設計中的應用。
2．方法和能力目標。讓學生初步掌握分析電路的方法，進一步培養學生的電路設計與制作的能力和分析、解決問題的能力；培養學生獲取數字電子技術的能力，交流表達的能力和自主學習的內在發展能力。
3．情感與態度目標。通過讓學生積極參與探究，投入到課堂教學雙邊活動中，培養學生的合作意識；通過讓學生體驗成功，享受發現的樂趣，培養學生學習數字電子技術的自信心。
（二）教學重點和難點
1.重點：基本RS觸發器工作原理及在實際電路設計中的應用。
2.難點：如何根據基本RS觸發器的電路結構分析其工作原理。
（三）教學目標實現策略
1．通過課件中的實物圖片、動畫、模擬仿真等手段將學生帶進形象的教學情境之中，突出教學內容中的重點、難點，激發學生學習興趣，提高教學效率。
2．采用問題解決的教學策略，以引導式的問題循序漸進地教學，提高學生分析問題、解決問題的能力。
3．采用教師引導、啟發。首先教師提出問題、然后學生討論、發言、同學點評、教師點評；培養學生的認知能力、問題解決與處理能力及交流溝通能力，使學生在雙向互動的教學活動中掌握知識。
（四）教學過程
（五）學習評價
采用過程性評價和形成性評價相結合的方法進行學習評價，注重利用學生學習質量反饋結果改進教學。
1．過程性評價。
（1）通過課堂教學中與學生的互動情況反饋。（2）學生討論及上臺演示的表現。（3）通過學生完成“在線測試”情況了解教學效果。
2．形成性評價。
通過查閱網絡課程的“電路設計與制作指導”欄目，完成“由觸發器構成的改進型搶答器”電路的設計與制作。要求學生能正確選擇和測試所使用的元件，電路設計正確、布線合理、制作美觀，電路通過檢測能實現相應的功能。
模擬電路設計原理范文6
【關鍵詞】硬件電路;原理圖設計;PCB設計;設計需求
Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit，and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design.
Keywords：Hardware circuit;Schematic design;PCB design;The design requirements
前言
隨著集成電路設計與制造技術的不斷發展，電路系統的功能越來越強大，組成卻越來越簡單，軟件設計的重要性逐漸提高，但硬件電路設計的重要性不容忽視。軟件設計得再完美，若硬件電路設計不合理，系統的性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。
硬件電路的設計一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝文件處理等幾個階段，本文主要闡述各階段的設計流程與方法。
1.設計需求分析
硬件電路的設計需求是基于項目或控制平臺的系統需求，設計需求的合理分析是選用電路核心元器件及其典型電路的關鍵。硬件電路的通用設計需求有應用環境、面積/體積限制、電源、功耗等，此外功能不同電路需求也不同。以某控制平臺典型電路為例，設計前必須關注的需求如表1所示。
表1 某控制平臺典型電路的設計需求
典型電路 設計需求
主控制電路 I/O口數量、數據寬度、通訊方式、電源等
數字量輸入電路 輸入點數、額定輸入電壓、輸入電流、噪聲容限、是否隔離、隔離電壓等
數字量輸出電路 輸出點數、額定負載電壓、輸出類型、輸出節點容量等
模擬量輸入電路 輸入類型與等級、精度要求、頻率等級、輸出類型等
模擬量輸出電路 輸入位數、精度要求、輸出類型、驅動能力等
光纖輸入電路 傳輸帶寬、頻率、輸出接口類型、邏輯關系等
光纖輸出電路 輸入接口類型、頻率、傳輸帶寬、輸出接口類型、邏輯關系等
脈沖功率放大電路 邏輯關系、驅動電源、驅動能力等
通訊電路 通訊接口、通訊協議、傳輸速率、ESD能力等
2.原理圖設計
原理圖設計是硬件電路設計的核心，合適的器件選型、必要的計算分析以進行參數搭配、仿真工具的運用與驗證等是其常用工作流程，最終通過繪制原理圖將這些技術用圖形化語言表達出來。
2.1 元器件選型
元器件的選型是原理圖設計過程中的一個重要環節。元器件是否合理、優質選用，將直接影響整個硬件電路的性能和可靠性，也關系到產品后期的使用與維護。
在選用元器件時，應根據電路功能要求確定元器件的關鍵參數，表2中給出了常用元器件選型時需要關注的參數，此外還應考慮元器件工作的可靠性、成本、供貨周期等因素。
表2 常用元器件的關鍵參數
常用元器件 關注的參數
電阻 阻值、功率、誤差、裕量等
電容 容量、耐壓值、工作頻率、裕量等
發光二極管 正向電流、光體顏色、正向壓降等
穩壓二極管 穩壓值、穩定電流、精度、功率等
AD芯片 位數、采樣速率、單/雙極性、帶寬、管腳定義、電源、串/并行、封裝、典型電路等
晶振 頻率范圍、電源電壓、工作電壓、封裝等
電源模塊 輸入/輸出類型、輸出功率、穩壓系數等
數字IC 電源電壓、邏輯關系、噪聲容限等
傳感器 輸入/輸出類型、精度、線性度等
存儲器 電源電壓、存儲容量、最大時鐘頻率、訪問速度、擦寫次數、接口電路等
CPLD 電源電壓、邏輯單元數、管腳數、最大時鐘頻率、接口電路等
MCU或DSP I/O口數量、片內ROM和RAM類型及大小、片上外設類型及數量、體積、功耗等
2.2 繪制原理圖
在確定好元器件型號后，就可使用EDA工具軟件繪制電路原理圖。在繪制過程中應該注意以下問題：
（1）對于初次使用的元器件，一定要查看元器件手冊，弄清楚其關鍵參數、封裝、推薦電路等。
（2）盡量使用或借鑒成熟電路，對于不成熟電路要多測試。
（3）按照信號流向繪制原理圖。對于復雜電路，可根據功能模塊分多張sheet繪制，并給出必要的文字說明。
（4）網絡名稱的命名盡量遵循信號的含義，以增加原理圖的可讀性。
（5）綜合考慮PCB性能和加工的效率選擇電路加工流程。因為少一個工藝流程，可以有效縮短硬件電路的加工時間。加工工藝的優選順序為：元器件面單面貼裝元器件面貼、插混裝雙面貼裝元器件面貼插混裝、焊接面貼裝。
（6）原理圖繪制完成后要編譯。這樣可以檢查出很多問題，如缺少網絡標號、信號源屬性錯誤等。
（7）在原理圖編譯通過后，需要生成網絡表。這是原理圖到PCB的一個必要環節，如果原理圖存在錯誤，網絡表是無法成功導入PCB中的。
3.PCB設計
PCB設計是以電路原理圖為依據實現硬件電路的功能，此外還應滿足可生產性、可測試性、安規、EMC、EMI等技術規范要求，以構建產品的工藝、技術、質量和成本優勢。
3.1 制作物理邊框
封閉的物理邊框是PCB設計的基本平臺，對后續的自動布局和布線起著約束作用。繪制物理邊框時一定要精確，以免出現安裝問題。使用圓弧邊框可以減少應力導致PCB板斷裂的現象，也能避免尖腳劃傷人員。
3.2 引入元器件和網絡
引入元器件和網絡是將原理圖中的元器件和網絡等信息引入到物理邊框內，為布局和布線做準備。在更新PCB之前，應確認原理圖中與PCB關聯的所有元器件的封裝庫均可用。
3.3 元器件布局
元器件的布局與布線對產品的壽命、穩定性、電磁兼容等都有很大的影響。布局常用的規則有：
（1）元器件的放置順序。先放置與電路結構有關的需固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件等，最好將其位置鎖定，以免被誤移動;再放置電路中的特殊元器件，如發熱元件、大體積元件、IC等;最后放置小元件。
（2）元器件的安放位置。首先應考慮特殊元器件的安放位置，例如發熱元件要盡量靠邊放置以便散熱，且不宜集中放置，并遠離電解電容;去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳，并力求與電源和地之間形成的回路最短。其次應考慮信號的隔離問題，例如高電壓、大電流的強信號與低電壓、小電流的弱信號應完全分開;模擬信號與數字信號分開;高頻信號與低頻信號分開等。非特殊元器件的布局應使總的連線盡可能短，關鍵信號線最短。結構相同的電路可采用對稱式設計以提高設計效率、減小出錯率，并節省調試時電路的辨識時間。布局應留有足夠的工藝邊，以免干涉PCB板的正常傳送。
（3）元器件的放置方向。在設計許可的條件下，同類元器件應按相同方向排列，相同封裝的元器件等距離放置，以便元件貼裝、焊接、測試和返修。
3.4 電路板布線
合理的布線可以有效減少外部環境對信號的干擾以及各種內部信號之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性，同時也便于查找故障原因和維護工作，提高產品的可用性。布線常用的規則有：
（1）布線的位置。布線應盡量走在焊接面;模擬部分和數字部分的地和電源應分開布線;大電流、高電壓信號與小信號之間應注意隔離;盡量少用過孔、跳線;布線也應留有足夠的工藝邊。
（2）布線的寬度與長度。除地線外，在同一塊PCB板上導線的寬度應盡可能均勻一致，避免突然變粗或變細。電源線和地線的寬度要求可以根據1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算，電源和地構成的環路應盡量小;由于：
b：線寬，d：厚度，l：長度，因此在可能的條件下電路的連線應盡量短，這樣有利于降低線路阻抗，也可減弱由于連線引起的各種干擾效應。
（3）布線的角度。布線時應避免銳角、直角，宜采用135°或圓角布線。
3.5 工藝文件處理
布線完成后，需要對個別元器件、布線和文字的位置和大小等進行調整完善，以便進行生產、調試和維修。然后進行覆銅，推薦采用接地覆銅方式。其次核對網絡是否與原理圖一致，最后還可使用軟件仿真功能對電路進行調試。
4.結論
總之，硬件電路設計過程中的每一個細節都可能成為導致設計成功與失敗的關鍵。作為電路設計的硬件工程師，必須努力積累經驗，不斷創新，才能設計出具有推動性的產品。
參考文獻
[1]朱銘鋯.DSP系統硬件設計（二）――DSP系統硬件原理圖、PCB設計和系統調試技巧[J].今日電子，2003（09）.
