電子設(shè)計(jì)基本概念100問解析

1.61 什么叫做差分信號(hào)差分信號(hào)傳輸與單根信號(hào)傳輸?shù)膮^(qū)別在哪？

答：差分傳輸是一種信號(hào)傳輸的技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來表示兩個(gè)物理量之間的差異。差分信號(hào)又稱差模信號(hào)，是相對共模信號(hào)而言的。

我們用一個(gè)方法對差分信號(hào)做一下比喻，差分信號(hào)就好比是蹺蹺板上的兩個(gè)人，當(dāng)一個(gè)人被蹺上去的時(shí)候，另一個(gè)人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個(gè)人都是同一水平。圖1 用蹺蹺板表示的差分信號(hào) 應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個(gè)蹺蹺板用一對標(biāo)識(shí)為V+和V-的導(dǎo)線來表示。

當(dāng)我們采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，增加了任何相關(guān)接口電路的復(fù)雜性，其好處有如下三個(gè)：

l 因?yàn)槟阍诳刂?#39;基準(zhǔn)'電壓，所以能夠很容易地識(shí)別小信號(hào)。在一個(gè)地做基準(zhǔn)，單端信號(hào)方案的系統(tǒng)里，測量信號(hào)的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)'地'的一致性。信號(hào)源和信號(hào)接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號(hào)恢復(fù)的信號(hào)值在很大程度上與'地'的精確值無關(guān)；

l 它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個(gè)干擾源幾乎相同程度地影響差分信號(hào)對的每一端。既然電壓差異決定信號(hào)值，這樣將忽視在兩個(gè)導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號(hào)比單端信號(hào)生成的 EMI 還要少；

l 在一個(gè)單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理'雙極'信號(hào)。為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號(hào)，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點(diǎn)）建立一個(gè)虛地。用高于虛地的電壓來表示正極信號(hào)，低于虛地的電壓來表示負(fù)極信號(hào)。接下來，必須把虛地正確地分布到整個(gè)系統(tǒng)里。而對于差分信號(hào)，不需要這樣一個(gè)虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號(hào)有一個(gè)高逼真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

1.62 什么是爬電間距？

答：沿絕緣表面測得的兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間，在不同的使用情況下，由于導(dǎo)體周圍的絕緣材料被電極化，導(dǎo)致絕緣材料呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，此帶電區(qū)的半徑即為爬電間距。爬的意思，可以看做一個(gè)螞蟻從一個(gè)帶電體走到另一個(gè)帶電體的必須經(jīng)過最短的路程，就是爬電距離。電氣間隙，是一個(gè)帶翅膀的螞蟻，飛的最短距離。

1.63 PCB中信號(hào)線分為哪幾類，區(qū)別在哪？

答：PCB中的信號(hào)線分為兩種，一種是微帶線，一種是帶狀線。

微帶線，是走在表面層(microstrip),附在PCB表面的帶狀走線，如圖1-43所示, 藍(lán)色部分是導(dǎo)體，綠色部分是PCB的絕緣電介質(zhì)，上面的藍(lán)色小塊兒是微帶線（microstrip line）。由于microstrip line（微帶線）的一面裸露在空氣里面，可以向周圍形成輻射或受到周圍的輻射干擾，而另一面附在PCB的絕緣電介質(zhì)上，所以它形成的電場一部分分布在空中，另一部分分布在PCB的絕緣介質(zhì)中。但是microstrip line中的信號(hào)傳輸速度要比stripline（帶狀線）中的信號(hào)傳輸速度快，這是其突出的優(yōu)點(diǎn)。

圖1-43 微帶線示意圖

帶狀線：走在內(nèi)層(stripline/double stripline),埋在PCB內(nèi)部的帶狀走線，如圖1-44所示，藍(lán)色部分是導(dǎo)體，綠色部分是PCB的絕緣電介質(zhì)，stripline是嵌在兩層導(dǎo)體之間的帶狀導(dǎo)線。因?yàn)閟tripline是嵌在兩層導(dǎo)體之間，所以它的電場分布都在兩個(gè)包它的導(dǎo)體（平面）之間，不會(huì)輻射出去能量，也不會(huì)受到外部的輻射干擾。但是由于它的周圍全是電介質(zhì)（介電常數(shù)比1大），所以信號(hào)在stripline 中的傳輸速度比在microstrip line中慢。

圖1-44 帶狀線示意圖

1.64 什么叫做EMC？

答：EMC,是Electro Magnetic Compatibility的縮寫，翻譯過來就是電磁兼容性，是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受電磁騷擾的能力。傳感器電磁兼容性是指傳感器在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，保持其固有性能、完成規(guī)定功能的能力。它包含兩個(gè)方面要求：一方面要求傳感器在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾不能超過一定限值;另一方面要求傳感器對所在環(huán)境中存在電磁干擾具有一定程度抗擾度。

1.65 形成EMC的三要素是什么？

答：EMC電磁干擾是電子產(chǎn)品困擾電子工程師的一大難題，為了解決電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中EMC的問題，我們必須先要弄清楚電磁干擾問題是怎么形成的。EMC問題形成的三點(diǎn)要素為：

Ø 電磁騷擾源；

Ø 耦合途徑或者傳播途徑；

Ø 敏感設(shè)備。

EMC三要素之間的關(guān)系如圖1-45所示。

圖1-45 EMC三要素示意圖

1.66 抑制EMC的方法有哪些？

答：在PCB設(shè)計(jì)中，抑制EMC問題呢，主要從以下幾個(gè)方面入手：屏蔽、濾波、合理接地、合理布局。但是呢隨著電子系統(tǒng)日益的集成化、綜合化的發(fā)展，采取以上幾個(gè)方面的措施往往會(huì)跟產(chǎn)品的成本、質(zhì)量、功能要求等發(fā)生矛盾，所以我們要權(quán)衡利弊研究出最合理的措施來滿足電磁兼容性的要求。

首先電磁兼容性控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都充分的予以考慮和實(shí)施才可能有效。科學(xué)而先進(jìn)的電磁兼容工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。

在控制方法，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、答接、合理布線等方法以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時(shí)這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙，可以代替成本費(fèi)用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。他們是精明的工程師們經(jīng)常采用的控制方法。  

在解決電磁干擾問題的時(shí)機(jī)上，應(yīng)該由設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補(bǔ)措施的被動(dòng)控制方法，轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開展預(yù)測分析和設(shè)計(jì)，預(yù)先檢驗(yàn)計(jì)算，并全面規(guī)劃實(shí)施細(xì)則和步驟，做到防患于未然。把電磁兼容性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，維護(hù)性、維修性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并行開展。電磁兼容控制技術(shù)是現(xiàn)代并行工程的組成內(nèi)容之一。

磁兼容控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類：

1、傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、答接、接地、布線；

2、空間分離：地點(diǎn)位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向方向控制；  3、時(shí)間分隔：時(shí)間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動(dòng)時(shí)間分隔、被動(dòng)時(shí)間分隔；

4、頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換；

5、電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器主理、ＤＣ/ＤＣ變換。

1.67 電子設(shè)計(jì)中為什么要區(qū)分模擬地跟數(shù)字地？

答：簡單來說，數(shù)字地是數(shù)字電路部分的公共基準(zhǔn)端，即數(shù)字電壓信號(hào)的基準(zhǔn)端；模擬地是模擬電路部分的公共基準(zhǔn)端，模擬信號(hào)的電壓基準(zhǔn)端（零電位點(diǎn))。

由于數(shù)字信號(hào)一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒有從接入點(diǎn)分開，數(shù)字信號(hào)中的諧波很容易會(huì)干擾到模擬信號(hào)的波形。當(dāng)模擬信號(hào)為高頻或強(qiáng)電信號(hào)時(shí)，也會(huì)影響到數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號(hào)，但是數(shù)字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。

存在問題的根本原因是，無法保證電路板上銅箔的電阻為零，在接入點(diǎn)將數(shù)字地和模擬地分開，就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小，關(guān)于數(shù)模分割的處理，更多的學(xué)習(xí)教程可以搜索凡億PCB進(jìn)行獲取，或者到官方學(xué)習(xí)論壇“PCB聯(lián)盟網(wǎng)”進(jìn)行下載學(xué)習(xí)。

1.68 PCB設(shè)計(jì)中區(qū)分模擬地與數(shù)字地的設(shè)計(jì)方法有哪些？

答：一般處理模擬地、數(shù)字地的方法有以下幾種：

Ø 直接分開，在原理圖中將數(shù)字區(qū)域的地連接為DGND，模擬區(qū)域的地連接為AGND，然后PCB中的地平面分割為數(shù)字地與模擬地，并吧間距拉大；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用磁珠連接；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用電容連接，運(yùn)用電容隔直通交的原理；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用電感連接，感值從uH到幾十uH不等；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用零歐姆電阻連接。

總結(jié)來說，電容隔直通交，造成浮地。電容不通直流，會(huì)導(dǎo)致壓差和靜電積累，摸機(jī)殼會(huì)麻手。如果把電容和磁珠并聯(lián)，就是畫蛇添足，因?yàn)榇胖橥ㄖ?，電容將失效。串?lián)的話就顯得不倫不類。

電感體積大，雜散參數(shù)多，特性不穩(wěn)定，離散分布參數(shù)不好控制，體積大。電感也是陷波，LC諧振(分布電容)，對噪點(diǎn)有特效。

磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻陷波器，只對某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有抑制作用，如果不能預(yù)知噪點(diǎn)，如何選擇型號(hào)，況且，噪點(diǎn)頻率也不一定固定，故磁珠不是一個(gè)好的選擇。

0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。

總之，關(guān)鍵是模擬地和數(shù)字地要一點(diǎn)接地。建議，不同種類地之間用0歐電阻相連；電源引入高頻器件時(shí)用磁珠；高頻信號(hào)線耦合用小電容；電感用在大功率低頻上。

1.69 PCB常用的Silkscreen、Soldmask、Pastmask的含義是什么？

答：Silkscreen，指的是PCB設(shè)計(jì)中的絲印，包括TOP與BOOTOM面的絲印，正反面的絲印剛好是鏡像過的。絲印一般包括器件的外框絲印線、IC器件的1腳標(biāo)識(shí)、位號(hào)字符、有極性器件的極性標(biāo)識(shí)。 

Soldmask，指的是PCB設(shè)計(jì)中的阻焊，包括TOP與BOOTOM面的阻焊，特別注意這個(gè)是這個(gè)是反顯層，有的表示無的，無的表示有。就是PCB板上焊盤（表面貼焊盤、插件焊盤、過孔）外一層涂了綠油的地方，它是為了防止在PCB過錫爐（波峰焊）的時(shí)候，不該上錫的地方上錫，所以稱為阻焊層（綠油層），我想只要見過PCB板的都應(yīng)該會(huì)看到這層綠油的。Solder層是要把PAD露出來吧，這就是我們在只顯示Solder層時(shí)看到的小圓圈或小方圈，一般比焊盤大（Solder表面意思是指阻焊層，就是用它來涂敷綠油等阻焊材料，從而防止不需要焊接的地方沾染焊錫的，這層會(huì)露出所有需要焊接的焊盤，并且開孔會(huì)比實(shí)際焊盤要大）；在生成Gerber文件時(shí)候，可以觀察Solder Layers 的實(shí)際效果。在Solder Mask Layer(有TopSolder 和BottomSolder)上畫個(gè)實(shí)矩形，那么這個(gè)矩形框內(nèi)就等于開了個(gè)窗口了（不涂油，不涂油就是亮晶晶的銅了?。?solder Mask就是涂綠油，藍(lán)油，紅油，除了焊盤、過孔等不能涂(涂了不能上焊錫？)其他都要涂上阻焊劑，這個(gè)阻焊劑有綠色的藍(lán)色的紅色的。在畫cadence焊盤時(shí)， solder Mask要比regular pad 大0.15mm（6mil）。

Pastmask, 指的是PCB設(shè)計(jì)中的鋼網(wǎng)，包括TOP與BOOTOM面的鋼網(wǎng)，這個(gè)是正顯，有就有無就無。是針對表面貼（SMD）元件的，該層用來制作鋼網(wǎng)（片）﹐而鋼網(wǎng)上的孔就對應(yīng)著電路板上的SMD器件的焊點(diǎn)。在表面貼裝（SMD）器件焊接時(shí)﹐先將鋼網(wǎng)蓋在電路板上（與實(shí)際焊盤對應(yīng)）﹐然后將錫膏涂上﹐用刮片將多余的錫膏刮去﹐移除鋼網(wǎng)﹐這樣SMD器件的焊盤就加上了錫膏﹐之后將SMD器件貼附到錫膏上面去（手工或貼片機(jī)）﹐最后通過回流焊機(jī)完成SMD器件的焊接。通常鋼網(wǎng)上孔徑的大小會(huì)比電路板上實(shí)際的焊小一些﹐通過指定一個(gè)擴(kuò)展規(guī)則﹐來放大或縮小錫膏防護(hù)層。對于不同焊盤的不同要求﹐也可以在錫膏防護(hù)層中設(shè)定多重規(guī)則，系統(tǒng)也提供2個(gè)錫膏防護(hù)層﹐分別是頂層錫膏防護(hù)層（Top Paste）和底層錫膏防護(hù)層（Bottom Paste）在Paste Mask layers(有TopPaste 和BottomPaste)上畫個(gè)實(shí)矩形，那么這個(gè)矩形框內(nèi)就等于開了個(gè)窗口了，機(jī)器就此窗口內(nèi)噴上焊錫了，其實(shí)是鋼網(wǎng)開了個(gè)窗，過波峰焊就上錫了。

1.70 我們通常所說的0402、0603、0805、1206是怎么計(jì)算的？

答：這些常規(guī)的貼片阻容感的封裝有九種，用兩種尺寸代碼來表示：一種尺寸代碼是由4位數(shù)字表示的EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會(huì))代碼，前兩位與后兩位分別表示電阻的長與寬，以英寸為單位。我們常說的0603封裝就是指英制代碼。另一種是米制代碼，也由4位數(shù)字表示，其單位為毫米。貼片電阻封裝英制和公制的關(guān)系及詳細(xì)的尺寸如圖1-46和表1-3所示,我們經(jīng)常說的封裝尺寸，像0402、0603等都是指的英制尺寸。

圖1-46 常規(guī)貼片阻容感封裝尺寸示意圖

表1-3 常規(guī)貼片阻容感封裝尺寸表格