PCB設計基礎知識詳細解析

印制電路板的設計是以電路原理圖為根據，實(shí)現電路設計者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局。內部電子元件的優(yōu)化布局。金屬連線(xiàn)和通孔的優(yōu)化布局。電磁保護。熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設計可以節約生產(chǎn)成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡(jiǎn)單的版圖設計可以用手工實(shí)現，復雜的版圖設計需要借助計算機輔助設計（CAD）實(shí)現。

在高速設計中，可控阻抗板和線(xiàn)路的特性阻抗是最重要和最普遍的問(wèn)題之一。首先了解一下傳輸線(xiàn)的定義：傳輸線(xiàn)由兩個(gè)具有一定長(cháng)度的導體組成，一個(gè)導體用來(lái)發(fā)送信號，另一個(gè)用來(lái)接收信號（切記“回路”取代“地”的概念）。在一個(gè)多層板中，每一條線(xiàn)路都是傳輸線(xiàn)的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線(xiàn)路或回路。一條線(xiàn)路成為“性能良好”傳輸線(xiàn)的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線(xiàn)路中保持恒定。

線(xiàn)路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線(xiàn)路的特性阻抗滿(mǎn)足一個(gè)規定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線(xiàn)路板中，傳輸線(xiàn)性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線(xiàn)路中保持恒定。

但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當沿著(zhù)一條具有同樣橫截面傳輸線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，這類(lèi)似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線(xiàn)中，如把1伏特的電池連接到傳輸線(xiàn)的前端（它位于發(fā)送線(xiàn)路和回路之間），一旦連接，這個(gè)電壓波信號沿著(zhù)該線(xiàn)以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當然，這個(gè)信號確實(shí)是發(fā)送線(xiàn)路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線(xiàn)路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。

Zen的方法是先“產(chǎn)生信號”，然后沿著(zhù)這條傳輸線(xiàn)以6英寸/納秒的速度傳播。第一個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線(xiàn)路有多余的正電荷，而回路有多余的負電荷，正是這兩種電荷差維持著(zhù)這兩個(gè)導體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導體又組成了一個(gè)電容器。

在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線(xiàn)的電壓從0調整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線(xiàn)路，而加一些負電荷到接收線(xiàn)路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線(xiàn)路，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線(xiàn)路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號開(kāi)始沿著(zhù)這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線(xiàn)前端的電池，當沿著(zhù)這條線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線(xiàn)的連續部分充電，因而在發(fā)送線(xiàn)路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時(shí)間間隔（±t）內從電池中流出的恒定電量（±Q）就是一種恒定電流。流入回路的負電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過(guò)上、下線(xiàn)路組成的電容，結束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

PCB（Printed Circuit Board）印刷電路板的縮寫(xiě)。

設計軟件

一、國內用的比較多的是protel，protel 99se，protel DXP，Altium，這些都是一個(gè)公司發(fā)展，不斷升級的軟件；當前版本是Altium Designer 15 比較簡(jiǎn)單，設計比較隨意，但是做復雜的PCB這些軟件就不是很好。

二、Cadence spb軟件Cadence spb這是Cadence的軟件，當前版本是Cadence SPB 16.5；其中的ORCAD原理圖設計是國際標準；其中PCB設計、仿真很全，用起來(lái)比protel復雜，主要是要求、設置復雜；但是為設計做好了規定，所以設計起來(lái)事半功倍，比protel就明顯強大。

三、Mentor公司的BORDSTATIONG和EE,其中BOARDSTATION由于只適用于UNIX系統，不是為PC機設計，所以使用的人較少；當前MentorEE版本為Mentor EE 7.9和Cadence spb屬于同級別的PCB設計軟件，它有些地方比cadence spb差，它的強項是拉線(xiàn)、飛線(xiàn)，人稱(chēng)飛線(xiàn)王。

四、EAGLE Layout這是歐洲使用最廣泛的PCB設計軟件?！∩鲜鏊f(shuō)PCB設計軟件，用的比較多的，Cadence spb和MentorEE 是里面當之無(wú)愧的王者?！∪绻浅鯇W(xué)設計PCB我覺(jué)得Cadencespb 比較好，它可以給設計者養成一個(gè)良好的設計習慣，而且能保證良好的設計質(zhì)量。

相關(guān)技巧

設置技巧

設計在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局；

對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無(wú)源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對齊和布局的美觀(guān)。

PCB布局規則：

1、在通常情況下，所有的元件均應布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過(guò)密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。

2、在保證電氣性能的前提下，元件應放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀(guān)，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個(gè)版面上應分布均勻、疏密一致。

3、電路板上不同組件相臨焊盤(pán)圖形之間的最小間距應在1MM以上。

4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長(cháng)寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時(shí)，應考慮電路板所能承受的機械強度。

布局技巧

在PCB的布局設計中要分析電路板的單元，依據起功能進(jìn)行布局設計，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

1、按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

2、以每個(gè)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來(lái)進(jìn)行布局。元器件應均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。

3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀(guān)，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

設計步驟

布局設計

在PCB中，特殊的元器件是指高頻部分的關(guān)鍵元器件、電路中的核心元器件、易受干擾的元器件、帶高壓的元器件、發(fā)熱量大的元器件，以及一些異性元器 件，這些特殊元器件的位置需要仔細分析，做帶布局合乎電路功能的要求及生產(chǎn)的需求。不恰當的放置他們可能產(chǎn)生電路兼容問(wèn)題、信號完整性問(wèn)題，從而導致 PCB設計的失敗。

在設計中如何放置特殊元器件時(shí)首先考慮PCB尺寸大小?？煲踪徶赋鰌cb尺寸過(guò)大時(shí)，印刷線(xiàn)條長(cháng)，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；過(guò)小時(shí)，散熱不好，且臨近線(xiàn)條容易受干擾。在確定PCB的尺寸后，在確定特殊元件的擺方位置。最后，根據功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。特殊元器件的位置在布局時(shí)一般 要遵守以下原則：

1、盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設法減少他們的分布參數及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應盡量遠離。

2一些元器件或導線(xiàn)有可能有較高的電位差，應加大他們的距離，以免放電引起意外短路。高電壓的元器件應盡量放在手觸及不到的地方。

3、重量超過(guò)15G的元器件，可用支架加以固定，然后焊接。那些又重又熱的元器件，不應放到電路板上，應放到主機箱的底版上，且考慮散熱問(wèn)題。熱敏元器件應遠離發(fā)熱元器件。

4、對與電位器、可調電感線(xiàn)圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調元器件的布局應考慮整塊板子的結構要求，一些經(jīng)常用到的開(kāi)關(guān)，在結構允許的情況下，應放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。

一個(gè)產(chǎn)品的成功，一是要注重內在質(zhì)量。而是要兼顧整體的美觀(guān)，兩者都比較完美的板子，才能成為成功的產(chǎn)品。

放置順序

1、放置與結構有緊密配合的元器件，如電源插座、指示燈、開(kāi)關(guān)、連接器等。

2、放置特殊元器件，如大的元器件、重的元器件、發(fā)熱元器件、變壓器、IC等。

3、放置小的元器件。

布局檢查

1、電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。

2、元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經(jīng)全部布完。

3、各個(gè)層面有無(wú)沖突。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。

3、常用到的元器件是否方便使用。如開(kāi)關(guān)、插件板插入設備、須經(jīng)常更換的元器件等。

4、熱敏元器件與發(fā)熱元器件距離是否合理。

5、散熱性是否良好。

6、線(xiàn)路的干擾問(wèn)題是否需要考慮。

基本概念

少用過(guò)孔

一旦選用了過(guò)孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過(guò)孔不相連的線(xiàn)與過(guò)孔的間隙，如果是自動(dòng)布線(xiàn)，可在“過(guò)孔數量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項來(lái)自動(dòng)解決。（2）需要的載流量越大，所需的過(guò)孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過(guò)孔就要大一些。

絲印層

Overlay

為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標志圖案和文字代號等，例如元件標號和標稱(chēng)值、元件外廓形狀和廠(chǎng)家標志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設計絲印層的有關(guān)內容時(shí)，只注意文字符號放置得整齊美觀(guān)，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們設計的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區域被抹賒，還有的把元件標號打在相鄰元件上，如此種種的設計都將會(huì )給裝配和維修帶來(lái)很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：“不出歧義，見(jiàn)縫插針，美觀(guān)大方”。

SMD封裝

特殊性

Protel封裝庫內有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類(lèi)器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類(lèi)器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類(lèi)元件的有關(guān)文字標注只能隨元件所在面放置。

填充區

網(wǎng)格狀填充區（External Plane ）和填充區（Fill）

正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò )狀填充區是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設計過(guò)程中在計算機上往往看不到二者的區別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區別，所以使用時(shí)更不注意對二者的區分，要強調的是，前者在電路特性上有較強的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區域當做屏蔽區、分割區或大電流的電源線(xiàn)時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線(xiàn)端部或轉折區等需要小面積填充的地方。

焊盤(pán)

Pad

焊盤(pán)是PCB設計中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設計中千篇一律地使用圓形焊盤(pán)。選擇元件的焊盤(pán)類(lèi)型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤(pán)，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤(pán)等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤(pán)，可自行設計成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤(pán)的設計中，不少廠(chǎng)家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤(pán)時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：

（1）形狀上長(cháng)短不一致時(shí)要考慮連線(xiàn)寬度與焊盤(pán)特定邊長(cháng)的大小差異不能過(guò)大；

（2）需要在元件引角之間走線(xiàn)時(shí)選用長(cháng)短不對稱(chēng)的焊盤(pán)往往事半功倍；

（3）各元件焊盤(pán)孔的大小要按元件引腳粗細分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0.2- 0.4毫米。

PCB放置焊盤(pán)：

1 .放置焊盤(pán)的方法

可以執行主菜單中命令 Place/Pad ，也可以用組件放置工具欄中的 Place Pad 按鈕。

進(jìn)入放置焊盤(pán)（ Pad ）狀態(tài)后，鼠標將變成十字形狀，將鼠標移動(dòng)到合適的位置上單擊就完成了焊盤(pán)的放置。

2 .焊盤(pán)的屬性設置

焊盤(pán)的屬性設置有以下兩種方法：

● 在用鼠標放置焊盤(pán)時(shí)，鼠標將變成十字形狀，按 Tab 鍵，將彈出 Pad （焊盤(pán)屬性）設置對話(huà)框。

7-24 焊盤(pán)屬性設置對話(huà)框

● 對已經(jīng)在 PCB 板上放置好的焊盤(pán)，直接雙擊，也可以彈出焊盤(pán)屬性設置對話(huà)框。在焊盤(pán)屬性設置對話(huà)在框中有如下幾項設置：

● Hole Size ：用于設置焊盤(pán)的內直徑大小。

● Rotation ：用一設置焊盤(pán)放置的旋轉角度。

● Location ：用于設置焊盤(pán)圓心的 x 和 y 坐標的位置。

● Designator 文本框：用于設置焊盤(pán)的序號。

● Layer 下拉列表：從該下拉列表中可以選擇焊盤(pán)放置的布線(xiàn)層。

● Net 下拉列表：該下拉列表用于設置焊盤(pán)的網(wǎng)絡(luò )。

● Electrical Type 下拉列表：用于選擇焊盤(pán)的電氣特性。該下拉列表共有 3 種選擇方式： Load （節點(diǎn)）、 Source （源點(diǎn)）和 Terminator （終點(diǎn)）。

● Testpoint 復選項：用于設置焊盤(pán)是否作為測試點(diǎn)，可以做測試點(diǎn)的只有位于頂層的和底層的焊盤(pán)。

● Locked 復選項：選中該復選項，表示焊盤(pán)放置后位置將固定不動(dòng)。

● Size and Shape 選項區域：用于設置焊盤(pán)的大小和形狀

● X-Size 和 Y-Size ：分別設置焊盤(pán)的 x 和 y 的尺寸大小。

● Shape 下拉列表：用于設置焊盤(pán)的形狀，有 Round （圓形）、 Octagonal （八角形）和 Rectangle

（長(cháng)方形）。

● Paste Mask Expansions 選項區域：用于設置助焊層屬性。

● Solder Mask Expansions 選項區域：用于設置阻焊層屬性。 [1] abc

各類(lèi)膜

Mask

這些膜不僅是PcB制作工藝過(guò)程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類(lèi)。顧名思義，助焊膜是涂于焊盤(pán)上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤(pán)略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤(pán)處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤(pán)以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫?？梢?jiàn)，這兩種膜是一種互補關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中

類(lèi)似“solder Mask En1argement”等項目的設置了。

飛線(xiàn)

有兩重含義

自動(dòng)布線(xiàn)時(shí)供觀(guān)察用的類(lèi)似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò )表調入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)的交叉狀況，不斷調整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線(xiàn)的布通率。這一步很重要，可以說(shuō)是磨刀不誤砍柴功，多花些時(shí)間，值！另外，自動(dòng)布線(xiàn)結束，還有哪些網(wǎng)絡(luò )尚未布通，也可通過(guò)該功能來(lái)查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò )之后，可用手工補償，實(shí)在補償不了就要用到”飛線(xiàn)“的第二層含義，就是在將來(lái)的印板上用導線(xiàn)連通這些網(wǎng)絡(luò )。要交待的是，如果該電路板是大批量自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)，可將這種飛線(xiàn)視為0歐阻值、具有統一焊盤(pán)間距的電阻元件來(lái)進(jìn)行設計。

印刷電路板（Printed circuit board，PCB）幾乎會(huì )出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件，那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外，PCB的主要功能是提供上頭各項零件的相互電氣連接。隨著(zhù)電子設備越來(lái)越復雜，需要的零件越來(lái)越多，PCB上頭的線(xiàn)路與零件也越來(lái)越密集了。標準的PCB長(cháng)得就像這樣。裸板（上頭沒(méi)有零件）也常被稱(chēng)為「印刷線(xiàn)路板Printed Wiring Board（PWB）」。

板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細小線(xiàn)路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過(guò)程中部分被蝕刻處理掉，留下來(lái)的部分就變成網(wǎng)狀的細小線(xiàn)路了。這些線(xiàn)路被稱(chēng)作導線(xiàn)（conductor pattern）或稱(chēng)布線(xiàn)，并用來(lái)提供PCB上零件的電路連接。

為了將零件固定在PCB上面，我們將它們的接腳直接焊在布線(xiàn)上。在最基本的PCB（單面板）上，零件都集中在其中一面，導線(xiàn)則都集中在另一面。這么一來(lái)我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過(guò)板子到另一面，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此，PCB的正反面分別被稱(chēng)為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）。

如果PCB上頭有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去，那么該零件安裝時(shí)會(huì )用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，零撥插力式）插座，它可以讓零件（這里指的是CPU）可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來(lái)。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零件后將其固定。

如果要將兩塊PCB相互連結，一般我們都會(huì )用到俗稱(chēng)「金手指」的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線(xiàn)的一部分。通常連接時(shí)，我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴充槽Slot）。在計算機中，像是顯示卡，聲卡或是其它類(lèi)似的界面卡，都是借著(zhù)金手指來(lái)與主機板連接的。

PCB上的綠色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護層，可以保護銅線(xiàn)，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì )印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）。通常在這上面會(huì )印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱(chēng)作圖標面（legend）。

PCB打樣

PCB的中文名稱(chēng)為印制電路板又稱(chēng)印刷電路板、印刷線(xiàn)路板是重要的電子部件是電子元器件的支撐體？是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的故被稱(chēng)為”印刷“電路板。

PCB打樣就是指印制電路板在批量生產(chǎn)前的試產(chǎn)主要應用為電子工程師在設計好電路？并完成PCB Layout之后向工廠(chǎng)進(jìn)行小批量試產(chǎn)的過(guò)程即為PCB打樣。而PCB打樣的生產(chǎn)數量一般沒(méi)有具體界線(xiàn)一般是工程師在產(chǎn)品設計未完成確認和完成測試之前都稱(chēng)之為PCB打樣。

轉換器

高速模擬/數字轉換器 （High speed ADC） 通常是模擬前端PCB電路系統里最基本的組成組件。由于模擬/數字元轉換器的性能決定系統的整體效能表現，因此系統制造商往往將模擬/數字轉換器視為最重要的組件。本文將詳細介紹超音波系統前端的運作原理，并特別討論模擬/數字轉換器在其中所發(fā)揮的作用。

在PCB設計超音波系統的前端PCB電路時(shí)，制造商必須審慎考慮幾項重要因素，以便進(jìn)行適當的取舍。醫務(wù)人員能否作出正確的診斷，乃取決于模擬PCB電路在這個(gè)過(guò)程當中關(guān)鍵性的作用。

模擬PCB電路的表現則取決于許多不同的參數，其中包括通道之間的串音干擾、無(wú)雜散訊號動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR） 以及總諧波失真。因此制造商在決定選用何種模擬PCB電路之前，必須詳細考慮這些參數。

以模擬/數字轉換器為例來(lái)說(shuō)，如果加設串行 LVDS 驅動(dòng)器等先進(jìn)PCB電路，便可縮小PCB電路板，以及抑制電磁波等噪聲的干擾，有助于進(jìn)一步改善系統的PCB設計。微型化、高效能及功能齊備的超音波系統產(chǎn)品的制造，造成市場(chǎng)上持續要求生產(chǎn)低耗電模擬IC，使其具備與放大器、模擬/數字轉換器和小封裝的更佳整合。

系統概述

超音波影像系統是目前最常用而又最精密的訊號處理儀器，可協(xié)助醫務(wù)人員作出正確診斷。在超音波系統的前端，采用極度精密的模擬訊號處理PCB電路，像是模擬/數字轉換器及低噪聲放大器（LNA）等，而這些模擬PCB電路的表現是決定系統效能的關(guān)鍵因素。

超音波設備非常接近于雷達或聲納系統，只不過(guò)是在不同的頻率帶（范圍）中操作。 雷達操作于GHz（千兆赫）的范圍中，聲納在kHz（千赫）的范圍內，而超音波系統則在MHz（兆赫）范圍內操作。 這些設備的原理幾乎與商業(yè)和軍用航空器所用的－數組天線(xiàn)雷達系統操作模式相同。雷達系統的PCB設計者是使用相控操縱波束形成器數組為原理，這些原理后來(lái)也被超音波系統PCB設計者采用并加以改進(jìn)。

在所有超音波系統儀器中，都有一個(gè)多元轉換器在相對較長(cháng)的電纜（大約2公尺）的末端。電纜內含高達 256 條微型同軸電纜，是超音波系統內最昂貴的組件之一。超音波系統一般會(huì )配備多個(gè)不同的轉換器探頭，讓負責操作的醫務(wù)人員可以依掃描影像的現場(chǎng)需求來(lái)選擇適用的轉換器。

影像的產(chǎn)生

掃描過(guò)程的第一步，每一個(gè)轉換器負責產(chǎn)生脈沖訊號，并將訊號傳送出去。傳送出去的脈沖訊號以高頻率的聲波形式穿過(guò)人體組織，聲波的傳送速度一般介于1至20MHz之間。這些脈沖訊號開(kāi)始在人體內進(jìn)行定時(shí)和定標偵測。當訊號穿越身體的組織時(shí)，其中部分聲波會(huì )反射回轉換器模塊，并由轉換器負責偵測這些回波的電位（轉換器將訊號傳送出去之后，會(huì )立即進(jìn)行切換，改用接收模式）?；夭ㄓ嵦柕膹姸热Q于回波訊號反射點(diǎn)在人體內的位置。直接從皮下組織反射回來(lái)的訊號一般都極強，而從人體內深入部位反射回來(lái)的訊號則極微弱。

由于健康安全相關(guān)法律對人體可以承受的最大輻射量有所規定，因此工程師PCB設計的電子接收系統必須極為靈敏。接近于人體表皮的病癥區，我們稱(chēng)之為近場(chǎng) （near field），被反射回來(lái)的能量是高的。 但是如果病癥區在人體內的深處部位，稱(chēng)之為遠場(chǎng) （far field），接收到的回波將極為微弱，因此必須被放大為1000倍或以上。

在遠場(chǎng)影像的模式時(shí)，其效能限制來(lái)自于接收鏈路中存在的所有噪聲。轉換器/電纜組件以及接收系統的低噪聲放大器是兩個(gè)最大的外來(lái)噪聲源。 而近場(chǎng)影像模式下，效能限制則是來(lái)自于輸入訊號的大小。 這兩種訊號之間的比率決定了超音波儀器的動(dòng)態(tài)范圍。

通過(guò)一系列接收器的時(shí)相轉換、振幅調整以及智能型累計回波能量等過(guò)程，既可以獲得高清晰度的影像。利用轉換器數組的時(shí)移與調整接收訊號振幅的原理可以使設備具有定點(diǎn)觀(guān)測掃描部位的功能。經(jīng)過(guò)序列化的不同部位定位觀(guān)測，超音波儀器即可建立一個(gè)組合影像。

數字聚波可以完成訊號的組合處理。在數字聚波中，經(jīng)由身體內某一點(diǎn)反射回來(lái)的回波脈沖訊號會(huì )在每一信道內先儲存起來(lái)，然后按照其先后次序排列一起，并將之固定成為同調訊號，然后聚集起來(lái)。這種將多個(gè)模擬/數字轉換器的輸出聚集一起的處理方法可以提高增益，因為信道內的噪聲是互不相關(guān)的。（備注：模擬聚波技術(shù)基本已經(jīng)成為過(guò)時(shí)的方法，現代所采用的大部分為數字聚波）。影像的形成，是于最接近轉換器系統的仿真層取樣，將其存儲起來(lái)，再以數字化把它們聚集在一起而成。

DBF 系統需要精確的信道與信道匹配。兩信道均需要VGA（視頻圖形數組），這種情況將會(huì )持續，直到模擬/數字轉換器設備足夠應付大的動(dòng)態(tài)范圍，并可以提供合理的成本和低耗電量。

影像模式

1. 灰度影像 -- 產(chǎn)生基本的黑白圖像

影像將被辨析成1毫米那么小的單位，呈現的影像是由發(fā)射能量以及檢測那些返回的能量而成 （如先前所述）。

2. 多普勒影像（Doppler）-- 多普勒模式 （Doppler mode） 是通過(guò)跟蹤回波的頻率偏移來(lái)探測物體在各種環(huán)境中運動(dòng)的速度。這些原理被應用在檢查體內血液或者其它液體在體內流動(dòng)的情形。這種技術(shù)是透過(guò)發(fā)射一連串聲波進(jìn)入體內，然后對反射波進(jìn)行快速傅利葉轉換（Fourier Transform, FFT）處理。這種計算處理方法即可確定來(lái)自人體的訊號頻率分量，以及它們與流體速度的關(guān)系。

3.靜脈和動(dòng)脈模式 -- 這種方式是將多普勒影像與灰度模式的聯(lián)合應用。通過(guò)處理多普勒位移產(chǎn)生的音效訊號即可獲得速率與節律。

設計步驟

電路原理圖的設計是整個(gè)電路設計的基礎，它的設計的好壞直接決定后面PCB設計的效果。一般來(lái)說(shuō)，電路原理圖的設計如下。

具體設計的步驟：

第一步，啟動(dòng)ProtelDXP原理圖編輯器

第二步，設置電路原理圖的大小與版面

第三步，從元件庫取出所需元件放置在工作平面

第四步，根據設計需要連接元器件

第五步，對布線(xiàn)后的元器件進(jìn)行調整

第六步，保存已繪好的原理圖文檔

第七步，打印輸出圖紙

主要流程

在PCB設計中，其實(shí)在正式布線(xiàn)前，還要經(jīng)過(guò)很漫長(cháng)的步驟，以下就是PCB設計主要的流程：

系統規格

首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能，成本限制，大小，運作情形等等。

功能區塊

接下來(lái)必須要制作出系統的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標示出來(lái)。

將系統分割幾個(gè)PCB 將系統分割數個(gè)PCB的話(huà)，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤(pán)驅動(dòng)器和電源等等。

決定使用封裝方法，和各PCB的大小 當各PCB使用的技術(shù)和電路數量都決定好了，接下來(lái)就是決定板子的大小了。如果PCB設計的過(guò)大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí)，也要將線(xiàn)路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。

注意事項

（1）避免在PCB邊緣安排重要的信號線(xiàn)，如時(shí)鐘和復位信號等。

（2）機殼地線(xiàn)與信號線(xiàn)間隔至少為4毫米；保持機殼地線(xiàn)的長(cháng)寬比小于5:1以減少電感效應。

（3）已確定位置的器件和線(xiàn)用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動(dòng)。

（4）導線(xiàn)的寬度最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制線(xiàn)路中，導線(xiàn)寬度和間距一般可取12mil。

（5）在DIP封裝的IC腳間走線(xiàn)，可應用10－10與12－12原則，即當兩腳間通過(guò)2根線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設為50mil、線(xiàn)寬與線(xiàn)距都為10mil，當兩腳間只通過(guò)1根線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設為64mil、線(xiàn)寬與線(xiàn)距都為12mil。

（6）當焊盤(pán)直徑為1.5mm時(shí)，為了增加焊盤(pán)抗剝強度，可采用長(cháng)不小于1.5mm，寬為1.5mm和長(cháng)圓形焊盤(pán)。

（7）設計遇到焊盤(pán)連接的走線(xiàn)較細時(shí)，要將焊盤(pán)與走線(xiàn)之間的連接設計成水滴狀，這樣焊盤(pán)不容易起皮，走線(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。

（8）大面積敷銅設計時(shí)敷銅上應有開(kāi)窗口，加散熱孔，并將開(kāi)窗口設計成網(wǎng)狀。

（9）盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。

特殊元件

1、高頻元件：高頻元件之間的連線(xiàn)越短越好，設法減小連線(xiàn)的分布參數和相互之間的電磁干擾，易受干擾的元件不能離得太近。隸屬于輸入和隸屬于輸出的元件之間的距離應該盡可能大一些。

2、具有高電位差的元件：應該加大具有高電位差元件和連線(xiàn)之間的距離，以免出現意外短路時(shí)損壞元件。為了避免爬電現象的發(fā)生，一般要求2000V電位差之間的銅膜線(xiàn)距離應該大于2mm，若對于更高的電位差，距離還應該加大。帶有高電壓的器件，應該盡量布置在調試時(shí)手不易觸及的地方。

3、重量太大的元件：此類(lèi)元件應該有支架固定，而對于又大又重、發(fā)熱量多的元件，不宜安裝在電路板上。

4、發(fā)熱與熱敏元件：注意發(fā)熱元件應該遠離熱敏元件。

規則裝配

在設計中，從PCB板的裝配角度來(lái)看，要考慮以下參數：

1）孔的直徑要根據最大材料條件（ MMC） 和最小材料條件（LMC） 的情況來(lái)決定。一個(gè)無(wú)支撐元器件的孔的直徑應當這樣選取，即從孔的MMC 中減去引腳的MMC ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之間。而且對于帶狀引腳，引腳的標稱(chēng)對角線(xiàn)和無(wú)支撐孔的內徑差將不超過(guò)0.5mm ，并且不少于0.15mm。

2） 合理放置較小元器件，以使其不會(huì )被較大的元器件遮蓋。

3） 阻焊的厚度應不大于0.05mm。

4） 絲網(wǎng)印制標識不能和任何焊盤(pán)相交。

5） 電路板的上半部應該與下半部一樣，以達到結構對稱(chēng)。因為不對稱(chēng)的電路板可能會(huì )變彎曲。

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