工程師技巧：如何將原理圖符號改得簡(jiǎn)潔明了

　　使你的原理圖符號能夠讓人理解非常重要。有時(shí)用CAD軟件包中預先做好的符號就可以了，但大多數符號并不太理想。CAD軟件包含的上萬(wàn)種符號只是你重新繪制它們的基礎。好的原理圖應該有可預測的信號流向。雖然許多半導體公司賺了很多錢(qián)，并提供很多支持，但很多時(shí)候他們專(zhuān)注于芯片內部，而做不到正確的原理圖流向。

　　在我的上一篇文章的評論欄中，有很多關(guān)于繪制原理圖符號的討論。使你的原理圖符號能夠讓人理解非常重要。有時(shí)用計算機輔助設計（CAD）軟件包中預先做好的符號就可以了，但大多數符號并不太理想。請確保你的軟件包能方便地創(chuàng )建符號，因為你可能得重新繪制每個(gè)單獨元件，以及創(chuàng )建新的元件。CAD軟件包含的上萬(wàn)種符號只是你重新繪制它們的基礎。

　　好的原理圖應該有可預測的信號流向。這個(gè)流向要求輸入部分位于左邊和上邊，輸出部分位于右邊和下邊。當然這并非鐵板一塊，但如果你希望其他工程師一眼就能理解你的原理圖，遵循這個(gè)規則就非常重要。如果我高聲對你喊叫，“區別什么有做這樣？”這種語(yǔ)法結構顯然讓人難懂，但如果我按從右到左的順序說(shuō)，“這樣做有什么區別？”那么你馬上就能理解了。雖然許多半導體公司賺了很多錢(qián)，并提供很多支持，但很多時(shí)候他們專(zhuān)注于芯片內部，而做不到正確的原理圖流向（圖1）。

圖1：目前許多公司畫(huà)的原理圖符號模仿的是元件的引腳圖，而不是信號流向。

　　圖1中的六反相器U1不是很實(shí)用。它將6個(gè)反相器合成在一個(gè)符號中，并且左邊和右邊都有輸入輸出。引腳長(cháng)度也不需要那么長(cháng)。U2這個(gè)符號稍微好一些，輸入都在左邊，輸出都在右邊。像我這樣一把年紀的人不喜歡彩色背景，因為經(jīng)過(guò)六次黑白拷貝黃色會(huì )變成黑色，從而讓你無(wú)法看清任何東西。我創(chuàng )建的U3由不同元件組成（異構元件），包括6個(gè)相同的元件和表示電源與地的第7個(gè)元件。排阻RP1是非常愚蠢的畫(huà)法，當這些電阻應該處于原理圖上不同位置時(shí)很容易把原理圖弄得一團糟。RP2顯示了異構元件在這種時(shí)候的作用。一些半導體公司采用ANSI符號畫(huà)邏輯器件，這顯然是由缺乏分析的線(xiàn)性思維的人發(fā)明的，而不是模擬工程師眼中的圖形化思維（圖2）。

圖2：許多工程師都不喜歡ANSI/IEEE邏輯符號畫(huà)法，這些符號簡(jiǎn)直是非徒無(wú)益，而又害之。顯示實(shí)際的邏輯符號稍好一些。CAD軟件包中附帶的元件基本上是沒(méi)有用的。較好的做法是將元件一分為二。更好的做法是將電源獨立出來(lái)，這樣就不會(huì )弄亂信號流向。模擬工程師最想要的是在元件內部稍微畫(huà)一些能表示其功能的圖案。

　　對于多元件封裝來(lái)說(shuō)（比如許多邏輯門(mén)），原理圖符號需要分解開(kāi)來(lái)，因為你很少會(huì )在原理圖的同一個(gè)地方使用全部這些元件。這個(gè)原則同樣適用于雙路或四路運放。元件符號可以采用德·摩根等效符號（圖3）。我非常敬佩那些能夠通過(guò)布爾表達式來(lái)理解電路工作的工程師，但我還是喜歡圖形化的表達方式——通過(guò)圖形可以想象位于D鎖存器中的比特，或者多路復用器中斷言給定輸入的引腳。

圖3：早在1995年，OrCAD 9就允許用德·摩根等效符號表示與非（NAND）門(mén)。AlTIum/CircuitStudio可以讓用戶(hù)給元件分配不同的“模式”完成相同的任務(wù)。如果你想畫(huà)一個(gè)“引腳上負下正”模式的運放符號就非常方便。若是沒(méi)有等效符號，如果你想垂直翻轉一個(gè)元件，也會(huì )把正電源放到下邊，把地放到上邊去。通過(guò)調用繪制的德·摩根等效符號，你可以交換輸入引腳，同時(shí)保持電源和地的位置不變。解決這個(gè)問(wèn)題的另外一種方法是制作一個(gè)具有獨立電源的異構元件（U6）?，F在你可以垂直翻轉運放，將負引腳放到上面來(lái)。

　　某個(gè)年代的原理圖程序出現于這樣一個(gè)時(shí)期：PCB上大約有40個(gè)14引腳的邏輯芯片，每個(gè)芯片配一個(gè)去耦電容，再加上一個(gè)卡緣連接器。在1985年，DOS OrCAD甚至不能畫(huà)三角形。這是那個(gè)年代的局限，也是那個(gè)年代需要擔心的事。當時(shí)許多公司覺(jué)得PCB上只有一個(gè)電源，即VCC（兩個(gè)“C”代表“公共集電極”，因為所有這些邏輯門(mén)都饋送電源給許多晶體管的集電極）。因此PCB只需要VCC和地。CAD公司的程序員甚至認為不需要在芯片上顯示電源引腳。他們只是發(fā)明了“零長(cháng)度”引腳，然后版圖設計程序會(huì )將所有相同名字的引腳連接在一起。程序員認為工程師使用最后生成網(wǎng)絡(luò )表的原理圖簡(jiǎn)直太蠢了。

　　說(shuō)到地，“公共端”或“回流端”其實(shí)更貼切，除非你的電路連接到墻上插座的大地引腳（圖4）。我承認這只是個(gè)人喜好，但我喜歡美國風(fēng)格的電源和電阻符號，在晶體管和MOSFET上有個(gè)圓圈，且MOSFET清楚地指示了N溝道或P溝道類(lèi)型。

圖4：地、電源、電阻、晶體管和MOSFET等各種元件符號。

　　我碰到過(guò)一位教授，如果他看到你在汽車(chē)收音機原理圖上有大地符號，會(huì )給你不及格的判定。汽車(chē)底盤(pán)是一種不同的符號，不管AlTIum叫它大地，還是你在大多數PCB上使用的三角符號，都意味著(zhù)公共端或回流端。我個(gè)人的喜好是使用箭頭代表電源，我也沒(méi)遇到過(guò)哪一位工程師喜歡R1和R2那樣歐洲畫(huà)法的電阻，甚至AlTIum里的可變電阻符號R3也沒(méi)有意義，除非它有三個(gè)腳，或者在封裝上把兩個(gè)腳短接在一起。我也喜歡晶體管上的圓圈、短引腳、字母N或P清晰地顯示MOSFET的類(lèi)型，以及有助于顯示管子類(lèi)型的柵極引腳，可以翻轉的P溝道類(lèi)型，以便源極位于上面，因為更多的正電源也在上面。我很欣賞AlTIum/CircuitStudio顯示體二極管。

　　在現代設計中，電源和地引腳不可見(jiàn)帶來(lái)的問(wèn)題是，當版圖封裝的電源連接錯誤時(shí)電路經(jīng)常會(huì )燒掉。經(jīng)常會(huì )燒。這是一個(gè)很?chē)乐氐膯?wèn)題，因為你可能有多個(gè)帶電源的層，而重新做PCB甚至重新搭建原型是很困難的?；谶@個(gè)理由，我們許多人會(huì )把電源引腳明確地畫(huà)出來(lái)。對于像四運放這樣的多元件封裝來(lái)說(shuō)有三種方法來(lái)實(shí)現（圖5）。第一種方法是你可以將電源引腳畫(huà)在每個(gè)元件上。第二種方法是只將電源引腳畫(huà)在其中一個(gè)元件上，這時(shí)要確保將所有未用元件也都放到原理圖上。第三種方法是將四運放設計成由5個(gè)元件組成的異構封裝，包括4個(gè)獨立的運放和一個(gè)單獨的電源與地引腳元件。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是你可以將電源與地元件和所有去耦電容放在一起。缺點(diǎn)是你可能忘了放電源與地元件，由此帶來(lái)的災難是器件沒(méi)有供電而不是接錯電源。一個(gè)技巧是將電源引腳作為封裝中的第一個(gè)元件，這樣當你放置這個(gè)元件時(shí)第一個(gè)放的就是電源。不管怎樣，你都應該將所有元件都放到原理圖中去，以便給未用元件合適的偏置，防止它們發(fā)生振蕩。

圖5：電源和地不要使用零長(cháng)度的引腳。相反，最好在U1的每個(gè)元件上畫(huà)出電源引腳。你也可以只在封裝的某個(gè)元件上畫(huà)電源引腳，但要確保所有元件都被放置，這樣你就不會(huì )忘了連接電源（U2）。U3封裝則是使用了一個(gè)單獨的“元件”來(lái)畫(huà)電源和地。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是你可以翻轉運放，根據電路需要靈活地將負引腳放在正引腳的上面或下面。

　　十幾年前Cadence的OrCAD中就有這些異構元件了，這種方法還可以將連接器分解成若干塊。這樣做同樣是為了保持原理圖的信號流向，確保每根線(xiàn)連接正確的連接器（圖6）?，F在你可以確保你的原理圖流向是從左到右的，使得其他工程師理解起來(lái)更加容易，也能讓你在5年后再看時(shí)更加容易理解。

圖6：如果你將連接器只畫(huà)成一個(gè)元件符號，會(huì )使得原理圖很亂（a）。通過(guò)使用OrCAD中的異構元件功能，或Altium/CircuitStudio中的元件“模式”，你可以將連接器分解開(kāi)來(lái)，以便原理圖的流向更清晰更容易理解（b）。

　　另外一個(gè)考慮是如何將諸如開(kāi)關(guān)電源芯片這樣的復雜元件畫(huà)清晰。即使你將輸入移到左邊，輸出移到右邊，仍然很難理解這種元件的工作原理。針對這種情況，你可以在符號框中畫(huà)一個(gè)簡(jiǎn)單的圖，用來(lái)暗示這個(gè)元件的功能。不一定是數據手冊中的框圖，只需簡(jiǎn)單的表述，以便提醒你和其他人這個(gè)元件是做什么的。

　　還有其它一些原理圖符號的慣例，它們更多的是偏好，而不是好的設計原則。我很喜歡用圓圈將晶體管包圍起來(lái)。需要重申的是，那些半導體工程師畫(huà)的晶體管才沒(méi)有圓圈。我認為圓圈非常有用。同樣，我很喜歡當走線(xiàn)發(fā)生交叉時(shí)做一個(gè)小的跳接。這就引出了另一個(gè)重要規則：沒(méi)有4向結點(diǎn)。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)傳真過(guò)來(lái)的原理圖，怎么都看不出走線(xiàn)是否只是交叉而不是連接在一起。結果我猜錯了，這浪費了我一天時(shí)間。如果所有原理圖都用跳接，“沒(méi)有4向結點(diǎn)”規則就沒(méi)那么重要了。令我高興的是，最新版本的Altium/CircuitStudio可以顯示跳接，并能自動(dòng)防止生成4向結點(diǎn)（圖7）。

圖7：像我這樣的老人在走線(xiàn)間沒(méi)有連接關(guān)系時(shí)喜歡采用跳接的方式。需要注意的是，4向結點(diǎn)是原理圖中的禁忌。Altium/CircuitStudio有產(chǎn)生跳接的選項，也有通過(guò)設置走線(xiàn)偏移消除交叉結點(diǎn)的功能，比如這個(gè)芯片的GND連接處所示。注意，庫元件的左邊是輸出，右邊是輸入，與你想象的剛好相反。

　　我的做法是使用輸入在左側的規則重畫(huà)元件符號（圖8）。我還使用了獨立的電源與地符號，以便減少雜亂現象，畢竟我們關(guān)心的是信號流向。大多數工程師理解555定時(shí)芯片內部的功能。但如果你不知道，或者你認為閱讀該原理圖的人不知道，那么你可以在元件內部畫(huà)上一些或所有框圖。Altium/CircuitStudio允許你在原理圖符號上放置圖片，因此我在網(wǎng)上找到一個(gè)很好的555定時(shí)器框圖，經(jīng)過(guò)一些細微調整后我將它放進(jìn)原理圖符號中。我不得不遵循它們的引腳輸出結構，因此原理圖上有些跳接（圖9）。

圖8：修改圖7中的555定時(shí)器，將輸入放在左邊，輸出放在右邊，這樣原理圖流向更清晰。單獨的電源與地符號消除了走線(xiàn)的雜亂現象。

圖9：你可以在元件內部畫(huà)一個(gè)框圖來(lái)展示它的功能。這可以像顯示一個(gè)集電極開(kāi)路輸出一樣簡(jiǎn)單，或者像顯示開(kāi)關(guān)電源芯片內部功能一樣更復雜一些。一些CAD軟件包允許你將圖像粘貼到元件符號內。

　　這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。你可以用整個(gè)原理圖來(lái)表示元件內部功能，或者要是對元件內部功能不是很關(guān)心的話(huà)，可以想讓原理圖更簡(jiǎn)捷。我的想法是適當在元件內畫(huà)一些內容，比如集電極開(kāi)路輸出，但重要的是保持整個(gè)原理圖清晰有條理，人們看起來(lái)容易理解。

　　好了，就剩最后一個(gè)模擬工程師的最?lèi)?ài)了。在大學(xué)里，John Kuras經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)功率晶體管應該用粗一點(diǎn)的線(xiàn)畫(huà)得大一點(diǎn)。當時(shí)我們都嗤之以鼻，但現在我確實(shí)喜歡用更大的符號顯示TO-3巨型封裝的晶體管（圖10）。成為模擬工程師就得接受重要性原則，而更大的晶體管更重要，而且畫(huà)起來(lái)更容易。

圖10：每個(gè)人都可以看出來(lái)，右邊的晶體管是一個(gè)功率晶體管。

　　原理圖符號偏好就像是音樂(lè )偏好，它們非常個(gè)性化。這是你作為工程師的一種風(fēng)格。像跳接和晶體管上的圓圈等事情不是很重要，而諸如輸入在左邊和上邊、輸出在右邊和下邊等事情則比較重要。我們都在爭論如何處理既有輸入又有輸出的總線(xiàn)。我認為地符號很重要。網(wǎng)上有篇應用筆記，那篇筆記認為如果你根據符號建議的那樣將它連接到大地，有可能燒壞二極管。