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模拟电路设计原理范文1
关键词：IP技术 模拟集成电路 流程
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02
1 模拟集成电路设计的意义
当前以信息技术为代表的高新技术突飞猛进。以信息产业发展水平为主要特征的综合国力竞争日趋激烈，集成电路（IC，Integrated circuit）作为当今信息时代的核心技术产品，其在国民经济建设、国防建设以及人类日常生活的重要性已经不言
而喻。
集成电路技术的发展经历了若干发展阶段。20世纪50年代末发展起来的属小规模集成电路（SSI），集成度仅100个元件；60年展的是中规模集成电路（MSI），集成度为1000个元件；70年代又发展了大规模集成电路，集成度大于1000个元件；70年代末进一步发展了超大规模集成电路（LSI），集成度在105个元件；80年代更进一步发展了特大规模集成电路，集成度比VLSI又提高了一个数量级，达到106个元件以上。这些飞跃主要集中在数字领域。
（1）自然界信号的处理：自然界的产生的信号，至少在宏观上是模拟量。高品质麦克风接收乐队声音时输出电压幅值从几微伏变化到几百微伏。视频照相机中的光电池的电流低达每毫秒几个电子。地震仪传感器产生的输出电压的范围从地球微小振动时的几微伏到强烈地震时的几百毫伏。由于所有这些信号都必须在数字领域进行多方面的处理，所以我们看到，每个这样的系统都要包含一个模一数转换器（AD，C）。
（2）数字通信：由于不同系统产生的二进制数据往往要传输很长的距离。一个高速的二进制数据流在通过一个很长的电缆后，信号会衰减和失真，为了改善通信质量，系统可以输入多电平信号，而不是二进制信号。现代通信系统中广泛采用多电平信号，这样，在发射器中需要数一模转换器（DAC）把组合的二进制数据转换为多电平信号，而在接收器中需要使用模一数转换器（ADC）以确定所传输的电平。
（3）磁盘驱动电子学计算机硬盘中的数据采用磁性原理以二进制形式存储。然而，当数据被磁头读取并转换为电信号时，为了进一步的处理，信号需要被放大、滤波和数字化。
（4）无线接收器：射频接收器的天线接收到的信号，其幅度只有几微伏，而中心频率达到几GHz。此外，信号伴随很大的干扰，因此接收器在放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害分量。这些都对模拟设计有很大的挑战性。
（5）传感器：机械的、电的和光学的传感器在我们的生活中起着重要的作用。例如，视频照相机装有一个光敏二极管阵列，以将像点转换为电流；超声系统使用声音传感器产生一个与超声波形幅度成一定比例的电压。放大、滤波和A/D转换在这些应用中都是基本的功能。
（6）微处理器和存储器：大量模拟电路设计专家参与了现代的微处理器和存储器的设计。许多涉及到大规模芯片内部或不同芯片之间的数据和时钟的分布和时序的问题要求将高速信号作为模拟波形处理。而且芯片上信号间和电源间互连中的非理想性以及封装寄生参数要求对模拟电路设计有一个完整的理解。半导体存储器广泛使用的高速/读出放大器0也不可避免地要涉及到许多模拟技术。因此人们经常说高速数字电路设计实际上是模拟电路的
设计。
2 模拟集成电路设计流程概念
在集成电路工艺发展和市场需求的推动下，系统芯片SOC和IP技术越来越成为IC业界广泛关注的焦点。随着集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，集成电路芯片的设计工作越来越复杂，因而急需在设计方法和设计工具这两方面有一个大的变革，这就是人们经常谈论的设计革命。各种计算机辅助工具及设计方法学的诞生正是为了适应这样的要求。
一方面，面市时间的压力和新的工艺技术的发展允许更高的集成度，使得设计向更高的抽象层次发展，只有这样才能解决设计复杂度越来越高的问题。数字集成电路的发展证明了这一点：它很快的从基于单元的设计发展到基于模块、IP和IP复用的
设计。
另一方面，工艺尺寸的缩短使得设计向相反的方向发展：由于物理效应对电路的影响越来越大，这就要求在设计中考虑更低层次的细节问题。器件数目的增多、信号完整性、电子迁移和功耗分析等问题的出现使得设计日益复杂。
3 模拟集成电路设计流程
3.1 模拟集成电路设计系统环境
集成电路的设计由于必须通过计算机辅助完成整个过程，所以对软件和硬件配置都有较高的要求。
（1）模拟集成电路设计EDA工具种类及其举例
设计资料库―Cadence Design Framework11
电路编辑软件―Text editor/Schematic editor
电路模拟软件―Spectre，HSPICE，Nanosim
版图编辑软件―Cadence virtuoso，Laker
物理验证软件―Diva，Dracula，Calibre，Hercules
（2）系统环境
工作站环境；Unix-Based作业系统；由于EDA软件的运行和数据的保存需要稳定的计算机环境，所以集成电路的设计通常采用Unix-Based的作业系统，如图1所示的工作站系统。现在的集成电路设计都是团队协作完成的，甚至工程师们在不同的地点进行远程协作设计。EDA软件、工作站系统的资源合理配置和数据库的有效管理将是集成电路设计得以完成的重要保障。
3.2 模拟集成电路设计流程概述
根据处理信号类型的不同，集成电路一般可以分为数字电路、模拟电路和数模混合集成电路，它们的设计方法和设计流程是不同的，在这部分和以后的章节中我们将着重讲述模拟集成电路的设计方法和流程。模拟集成电路设计是一种创造性的过程，它通过电路来实现设计目标，与电路分析刚好相反。电路的分析是一个由电路作为起点去发现其特性的过程。电路的综合或者设计则是从一套期望的性能参数开始去寻找一个令人满意的电路，对于一个设计问题，解决方案可能不是唯一的，这样就给予了设计者去创造的机会。
模拟集成电路设计包括若干个阶段，设计模拟集成电路一般的过程。
（l）系统规格定义；（2）电路设计；（3）电路模拟；（4）版图实现；（5）物理验证；（6）参数提取后仿真；（7）可靠性分析；（8）芯片制造；（9）测试。
除了制造阶段外，设计师应对其余各阶段负责。设计流程从一个设计构思开始，明确设计要求和进行综合设计。为了确认设计的正确性，设计师要应用模拟方法评估电路的性能。
这时可能要根据模拟结果对电路作进一步改进，反复进行综合和模拟。一旦电路性能的模拟结果能满足设计要求就进行另一个主要设计工作―电路的几何描述（版图设计）。版图完成并经过物理验证后需要将布局、布线形成的寄生效应考虑进去再次进行计算机模拟。如果模拟结果也满足设计要求就可以进行制造了。
3.3 模拟集成电路设计流程分述
（1）系统规格定义
这个阶段系统工程师把整个系统和其子系统看成是一个个只有输入输出关系的/黑盒子，不仅要对其中每一个进行功能定义，而且还要提出时序、功耗、面积、信噪比等性能参数的范围要求。
（2）电路设计
根据设计要求，首先要选择合适的工艺制程；然后合理的构架系统，例如并行的还是串行的，差分的还是单端的；依照架构来决定元件的组合，例如，电流镜类型还是补偿类型；根据交、直流参数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小；依环境估计负载形态和负载值。由于模拟集成电路的复杂性和变化的多样性，目前还没有EDA厂商能够提供完全解决模拟集成电路设计自动化的工具，此环节基本上通过手工计算来完成的。
（3）电路模拟
设计工程师必须确认设计是正确的，为此要基于晶体管模型，借助EDA工具进行电路性能的评估，分析。在这个阶段要依据电路仿真结果来修改晶体管参数；依制程参数的变异来确定电路工作的区间和限制；验证环境因素的变化对电路性能的影响；最后还要通过仿真结果指导下一步的版图实现，例如，版图对称性要求，电源线的宽度。
（4）版图实现
电路的设计及模拟决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代工厂进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述称为版图。这个环节就是要把设计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的版图设计。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪声、串扰、寄生效应、防门锁等对电路性能和可制造性的影响。虽然现在出现了许多高级的全定制辅助设计方法，仍然无法保证手工设计对版图布局和各种效应的考虑全面性。
（5）物理验证
版图的设计是否满足晶圆代工厂的制造可靠性需求？从电路转换到版图是否引入了新的错误？物理验证阶段将通过设计规则检查（DRC，Design Rule Cheek）和版图网表与电路原理图的比对（VLS，Layout Versus schematic）解决上述的两类验证问题。几何规则检查用于保证版图在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图网表与电路原理图的比对用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。VLS工具从版图中提取包含电气连接属性和尺寸大小的电路网表，然后与原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。
参考文献
模拟电路设计原理范文2
电池管理系统多通道高精度数据采集电路具体设计方案如图1所示。图1中左侧是电池组检测的相关模拟量数据，包括12路单体电压数据、充放电2路电流数据、电池组工作温度及环境温度数据，这些数据对应的物理量可能是电压、电流、电阻，考虑到A/D转换只能以电压的形式实现模拟量的获取，因此相应的设计了信号转换电路，实现不同类型信号的电压转换；考虑到A/D转化模拟量量程的需求，设计了不同的信号放大电路；为了防止超量程的模拟量对A/D器件造成的影响，设计了对应的保护电路；为了防止干扰信号对数据准确性的影响，设计了滤波电路。16路电压模拟量产生后，A/D器件在MCU的控制下逐次对16个通道数据进行A/D转换，转换后的数字量用于实现对电池管理系统的SOC评估及其它管理工作。
2硬件电路设计
2.1动力电池电压信号检测电路设计
动力电池组是由众多单体电池串联而成。本设计中，选取12个单体电池串联而成的动力电池组，相应的就有12个电压模拟量信号。图2所示为电压采集电路设计。动力电池组中，各个动力电池串联而成。在地参考点的作用下，各个电池正负极对地参考电压近似比例增大，为实现输出的是电池电压，最有效的实现途径是借助由运算放大器“虚短”与“虚断”原理构成的减法电路。图2中，由双运放运算放大器LM358构建2级网络：第1级即为由R1~R4组建的差分放大电路形成减法电路，第2级构成电压跟随器，起到缓冲及隔离的作用。LM358使用单5V电源供电。
2.2动力电池双向电流检测电路设计
电池组在充放电过程中，由于只有一个充放电通道，理论上而言电流检测通道只有一个。根据电路理论电流在其参考方向下存在正负之分，因此必须单独设计充电电流、放电电流各自的检测信号。图3所示为集成的双向电流检测硬件电路设计。从电路中可以看出，该电路的设计非常类似于电气中的互锁电路。从采样电阻中采集的电阻两端电压在电阻分压网络下，产生不同的电压。结合运放的差分放大功能，分别引入LM358运算放大器的2组不同的运放输入端，由于引入同相输入端和反相输入端的电压不同，使得2组运放各自工作在线性工作区与非线性工作区中。当电池组中有任意方向的电流时，均会产生一组运放工作在线性放大区域产生对应的模拟电压信号同时另外一组运放工作在非线性区域而作为电子开关输出供电电源的参考地电压。在实际的电动汽车中，通常选用100AH的动力电池组为电动汽车提供动力源，这样，采样电阻的选择就有了依据。本设计中，选用0.05R/2W的采样电阻多个并联成0.01R的功率电阻作为充放电电流检测元件。
2.3动力电池组温度检测电路设计
温度检测保证电池组工作在可靠温度范围内而不引起电池故障，是电池管理系统中必不可少的有效组成部分。温度检测传感器选用PT100系列温度传感器。最新制造工艺出产的PT100体积小，精度高，比较适合应用在电池管理系统温度检测单元中。本设计中，选用三线式桥式测温电路，其最大优点在于将地线单独引出，参考电阻网络的地线电阻可以与PT100的地线电阻匹配，减小电阻差异带来的偏差问题，提高温度测量精度。其设计原理同电压采集电路基本相同。
3调试数据与分析
设计完毕后，对该套电池管理系统的硬件电路进行了制版调试。在解决了焊接遗留的硬件问题后，通过MCU的监测获取了大量数据。调试过程中某一时刻点的状态量。从测试数据可以看出，无论是电压、电流、还是温度，其相对误差都控制在1%以内，特别是电压检测数据，精度更是达到了3‰，这样的误差在电池管理系统误差允许范围之内，达到了电池管理系统数据采集前端模块硬件电路设计的目的。
4总结
模拟电路设计原理范文3
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
模拟电路设计原理范文4
关键词：板级设计；EDA工具；硬件连接检查；Perl语言
中图分类号： TP311文献标识码：A文章编号：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
目前的电子设计大多数是集成系统级设计，整个项目中既包含硬件整机设计又包含软件开发。这种技术特点向电子工程师提出了新的挑战。
首先，如何在设计早期将系统软硬件功能划分得比较合理，形成有效的功能结构框架，以避免冗余循环过程；
其次，如何在短时间内设计出高性能高可靠的PCB板。因为软件的开发很大程度上依赖硬件的实现，只有保证整机设计一次通过，才会更有效的缩短设计周期。
众所周知，电子技术的发展日新月异，而这种变化的根源，主要因素来自芯片技术的进步，半导体工艺日趋物理极限，超大规模电路成为芯片发展主流[1]。而这种工艺和规模的变化又带来了许多新的电子设计瓶颈，板级设计也受到很大的冲击，最明显的一个变化是芯片封装的种类极大丰富，功能集成度、复杂度明显增高；另外，芯片工作频率提高，使得系统工作频率的提高成为可能。而这些变化必然给板级设计带来许多问题和挑战。首先，由于高密度引脚及引脚尺寸日趋物理极限，导致低的布通率；其次，由于系统时钟频率的提高，引起的时序及信号完整性问题；第三，工程师希望使用功能更完备的EDA工具来完成复杂的高性能的设计[2]。
据此，我们不难看出，板级设计有以下三种趋势：
1) 高速时钟频率及快速边沿的设计成为主流[3]；
2) 产品小型化及高性能必须面对在同一块板上由于混合信号设计技术（即数字、模拟及射频混合设计）所带来的分布效应；
3) 设计难度的提高，导致传统的设计流程及设计方法很难胜任当前的技术。
基于板级设计的发展趋势，目前有许多厂商从事电子设计自动化(EDA)工具的开发工作，如 Cadence, Synopsis, Mentor Graphics等EDA工具供应商。EDA所涉及的领域非常广泛，包括网络、通信、计算机、航天航空等。产品则涉及系统板级设计、系统数字/中频模拟/数模混合/射频仿真设计、系统IC/ASIC/FPGA的设计/仿真/验证，软硬件协同设计等。任何一家EDA供应商均很难提供满足各类用户的不同设计需求的最强的设计流程。
2 板级电路的硬件连接验证方法
2.1 电路原理图设计流程
我们知道原理图设计是电路设计的基础，只有在设计好原理图的基础上才可以进行印刷电路板的设计和电路仿真等。电路原理图设计流程如图1所示。
原理图具体设计步骤如下[4]：
1) 新建原理图文件。在进人 SCH 设计系统之前，首先要构思好原理图，即必须知道所设计的项目需要哪些电路来完成，然后用相应的设计输入工具来画出电路原理图。
图1 电路原理图设计流程图
2) 设置工作环境。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。在电路设计的整个过程中，图纸的大小都可以不断地调整，设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步。
3) 放置元件。从元件库中选取元件，布置到图纸的合适位置，并对元件的名称、封装进行定义和设定，根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整和修改使得原理图美观而且易懂。
4) 原理图的布线。根据实际电路的需要，利用 SCH 提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一幅完整的电路原理图。
5) 建立网络表。完成上面的步骤以后，可以看到一张完整的电路原理图了，但是要完成电路板的设计，就需要生成一个网络表文件。网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。
6) 原理图的电气检查。当完成原理图布线后，需要设置项目选项来编译当前项目，利用工具提供的错误检查报告修改原理图。
7) 编译和调整。如果原理图已通过电气规范检查，那么原理图的设计就完成了。这是对于一般电路设计而言，尤其是较大的项目，通常需要对电路的多次修改才能够通过电气规范检查。
8) 存盘和报表输出：电路图输入工具一般会提供利用各种报表工具生成的报表（如网络表、元件清单等），同时可以对设计好的原理图和各种报表进行存盘和输出打印，为印刷板电路的设计做好准备。
2.2 硬件连接验证方法的目的和验证范围
在2.1中描述的原理图设计流程中，电气规范检查是完成原理图设计的必要条件[5]。对于一个庞大复杂的系统板级设计来说，由于设计工具在硬件连接性方面的检查功能不完善，或者由于设计人员在设计中的忽视，硬件连接方面的一些错误在通过电气规范检查并报表输出后的板级设计中时有出现。在这里所说的硬件连接方面的错误主要是指：原理图中器件symbol中的芯片引脚名称与该芯片说明书中命名的引脚名称不同；没有连接的引脚；输入/输出脚的冲突；电路设计中是否按照每个芯片说明书中规定的供电电压为该芯片供电；电路设计中是否存在芯片的某一个引脚存在重复的上拉、下拉电阻或者同时存在一个上拉电阻和一个下拉电阻的矛盾情况。其中输入/输出脚的冲突包括两个方面：一是驱动芯片和接收芯片的连接引脚的信号方向是否存在同为输入或者同为输入的相悖情况，二是驱动芯片输出脚的输出高低电平和接收芯片输入脚的高低电平是否存在过驱动或者不足驱动的情况。
为了进一步分析进行硬件连接验证的必要性，以下按照连接性错误的类型逐一阐述：
1) 电路设计中是否存在未连接的节点：进行节点连接验证通常是为了确认器件的引脚是否存在没有正确连接的情况，或者是否存在孤立节点即电路设计中是否存在某器件的一个节点没有连接到其他任何器件的情况。通常情况下，电路设计人员会对电路设计中一些故意悬空的芯片引脚标注上“NC”，这种情况则不属于未连接的节点。在分析中，我们认为未连接的节点既可以是器件的一个引脚未连接，也可以是完全没有连到其他器件；对于电容，电阻和电感这样的器件，我们也需要去确定它们的两个引脚在设计中是否都被使用。
2) 电路设计中的是否存在芯片说明书中明确指出未连接时需要进行特殊处理的输入脚：进行输入脚测试的目的和进行节点测试的目的很相似。电路图中的浮空的输入脚必须被给予特别的关注，因为由于它们处于逻辑“1”和逻辑“0”的不确定性可能会给器件带来不稳定的工作状态，或者引入了电子噪声从而影响该器件的其他功能。
3) 电路设计中的是否存在错接的电源脚或者地脚：进行电源和地脚的连接验证的目的是为了确保电路设计中的每一个器件的电源和地脚都接入到正确的电源网络上。此处的“正确”包含两个方面的含义，其一是指电源脚接到电源节点，且地脚接地；其二是指电源脚所接的电压值处在该芯片说明书要求的工作电压范围之内。此外，输入脚和输出脚是否存在重复的上拉或下拉电阻，以及是否存在冲突的上/下拉电阻这两个问题也必须予以关注。
4) 电路设计中的是否存在相悖的引脚方向：
图2 纠错流程图
我们进行此部分验证所遵循的评价标准如下：
a. 所有接收器件的输入脚都至少被一个驱动器件的输出脚驱动；
b.电路设计中的任意一个特定的节点只允许连接一个输出脚；
c.输出脚不能直接和电源/地脚连接。
5)电路设计中的是否存在数字驱动脚和数字接收脚的DC特性不匹配：我们进行此部分验证是为了检查驱动脚和输出脚的高/低电平是否匹配，防止芯片存在过驱动或者不足驱动的情况出现。
6) 电路设计中的是否存在命名不一致性的情况：我们进行此部分验证的目的是检查电路设计中引脚的功能和节点命名是否存在不一致性。不一致性通常会发生在FPGA和连接性器件上，因为这些器件的引脚功能在电路设计中没有明确提及。同时，差分信号的极性连接正确性也可以在此部分检查。
2.3 硬件连接验证方法的实现
为了完成2.2中列举的板级设计的硬件连接验证，我们需要按照以下三个步骤：
1) 首先比对原理图中所有器件的供电电压、引脚信号方向、数字脚的高低电平等一系列参数是否与对应的芯片说明书的参数一致，如图2所示：
2) 其次检查原理图中所有芯片的连接，特别是没有使用的引脚的特殊处理、Open-Drain的引脚、电源的去耦电容等是否满足其对应的芯片说明书中的特定要求。
3) 最后检查原理图中所有存在连接关系的芯片中互相连接的引脚的输入输出方向是否正确，即不存在两个输入或者输出脚对接的情况；检查设计中存在互相连接的驱动与被驱动关系的芯片之间对接的数字脚的高低电平是否匹配，即不存在过驱动或者不足驱动的情况。
为完成上面提到的硬件连接验证的三个步骤，我们需要精确地比对电路原理图中的器件参数和芯片说明书中的对应参数的数值或者范围是否一致。在日趋复杂的板级设计中要准确无误地完成参数的比对工作，单单凭借设计师的经验或者肉眼观察是很难做到的，这就要求我们必须借助有效的辅助工具进行参数处理，排除电路原理图和芯片说明书参数已经匹配的连接，缩小检查的范围，最终凭借设计经验和芯片说明书的规范来锁定设计中确实存在的硬件连接错误，整个流程如图2所示。
3 结论
本文介绍了一种新的基于Perl语言[4]的数据库处理工具进行系统板级设计中的硬件连接性验证的方法，运用此方法，我们可以在系统设计的早期阶段发现系统内潜在的芯片功能性或者参数匹配方面的错误，将硬件设计的错误降到最低，便于大大提升设计一次成功率，降低设计成本，缩短产品进入市场的周期。
参考文献：
[1] 王卫平.电子工艺基础：第2版.2003年09月.北京：电子工业出版社.
[2] 集成系统PCB板设计的新技术.[2003-11-25].上海泰齐科技网.
[3] 周润景，袁伟亭编著.Cadence 高速电路板设计与仿真（第2版）.2007年09月.北京：电子工业出版社.
[4] 李刚，王艳林，孙江宏等编著.Protel DXP电路设计标准教程.2005年06月.北京：清华大学出版社.
模拟电路设计原理范文5
一、课例简介
（一）课例名称
基本RS触发器
（二）课例内容
基本RS触发器的概念及其应用。触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，而基本RS触发器又是各种类型触发器的基本形式，因此它对整个章节的学习具有重要的意义。
二、学生特征
学生为电子技术专业一年级学生，通过前期课程《电工基础》、《模拟电子技术》和本课程前一阶段的学习，已具备了一定的电路的分析、设计及制作的能力。已在本课程学习了“与”、“或”、“非”及其复合逻辑的逻辑符号、逻辑表达式及逻辑运算规则，具备了学习本课的基本知识，对将触发器用于实际电路的设计与制作有强烈的认知愿望，因此对本节课的学习很感兴趣，但又觉得难度大。
三、教学设计
（一）教学目标分析
1．知识与技能目标。让学生了解触发器的概念及其应用；学会分析基本RS触发器的电路结构、工作原理，掌握触发器在实际电路设计中的应用。
2．方法和能力目标。让学生初步掌握分析电路的方法，进一步培养学生的电路设计与制作的能力和分析、解决问题的能力；培养学生获取数字电子技术的能力，交流表达的能力和自主学习的内在发展能力。
3．情感与态度目标。通过让学生积极参与探究，投入到课堂教学双边活动中，培养学生的合作意识；通过让学生体验成功，享受发现的乐趣，培养学生学习数字电子技术的自信心。
（二）教学重点和难点
1.重点：基本RS触发器工作原理及在实际电路设计中的应用。
2.难点：如何根据基本RS触发器的电路结构分析其工作原理。
（三）教学目标实现策略
1．通过课件中的实物图片、动画、模拟仿真等手段将学生带进形象的教学情境之中，突出教学内容中的重点、难点，激发学生学习兴趣，提高教学效率。
2．采用问题解决的教学策略，以引导式的问题循序渐进地教学，提高学生分析问题、解决问题的能力。
3．采用教师引导、启发。首先教师提出问题、然后学生讨论、发言、同学点评、教师点评；培养学生的认知能力、问题解决与处理能力及交流沟通能力，使学生在双向互动的教学活动中掌握知识。
（四）教学过程
（五）学习评价
采用过程性评价和形成性评价相结合的方法进行学习评价，注重利用学生学习质量反馈结果改进教学。
1．过程性评价。
（1）通过课堂教学中与学生的互动情况反馈。（2）学生讨论及上台演示的表现。（3）通过学生完成“在线测试”情况了解教学效果。
2．形成性评价。
通过查阅网络课程的“电路设计与制作指导”栏目，完成“由触发器构成的改进型抢答器”电路的设计与制作。要求学生能正确选择和测试所使用的元件，电路设计正确、布线合理、制作美观，电路通过检测能实现相应的功能。
模拟电路设计原理范文6
【关键词】硬件电路;原理图设计;PCB设计;设计需求
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
随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。
硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶段，本文主要阐述各阶段的设计流程与方法。
1.设计需求分析
硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如表1所示。
表1 某控制平台典型电路的设计需求
典型电路 设计需求
主控制电路 I/O口数量、数据宽度、通讯方式、电源等
数字量输入电路 输入点数、额定输入电压、输入电流、噪声容限、是否隔离、隔离电压等
数字量输出电路 输出点数、额定负载电压、输出类型、输出节点容量等
模拟量输入电路 输入类型与等级、精度要求、频率等级、输出类型等
模拟量输出电路 输入位数、精度要求、输出类型、驱动能力等
光纤输入电路 传输带宽、频率、输出接口类型、逻辑关系等
光纤输出电路 输入接口类型、频率、传输带宽、输出接口类型、逻辑关系等
脉冲功率放大电路 逻辑关系、驱动电源、驱动能力等
通讯电路 通讯接口、通讯协议、传输速率、ESD能力等
2.原理图设计
原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出来。
2.1 元器件选型
元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。
在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，表2中给出了常用元器件选型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。
表2 常用元器件的关键参数
常用元器件 关注的参数
电阻 阻值、功率、误差、裕量等
电容 容量、耐压值、工作频率、裕量等
发光二极管 正向电流、光体颜色、正向压降等
稳压二极管 稳压值、稳定电流、精度、功率等
AD芯片 位数、采样速率、单/双极性、带宽、管脚定义、电源、串/并行、封装、典型电路等
晶振 频率范围、电源电压、工作电压、封装等
电源模块 输入/输出类型、输出功率、稳压系数等
数字IC 电源电压、逻辑关系、噪声容限等
传感器 输入/输出类型、精度、线性度等
存储器 电源电压、存储容量、最大时钟频率、访问速度、擦写次数、接口电路等
CPLD 电源电压、逻辑单元数、管脚数、最大时钟频率、接口电路等
MCU或DSP I/O口数量、片内ROM和RAM类型及大小、片上外设类型及数量、体积、功耗等
2.2 绘制原理图
在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以下问题：
（1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电路等。
（2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。
（3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出必要的文字说明。
（4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。
（5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装元器件面贴、插混装双面贴装元器件面贴插混装、焊接面贴装。
（6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性错误等。
（7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中的。
3.PCB设计
PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建产品的工艺、技术、质量和成本优势。
3.1 制作物理边框
封闭的物理边框是PCB设计的基本平台，对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的现象，也能避免尖脚划伤人员。
3.2 引入元器件和网络
引入元器件和网络是将原理图中的元器件和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。
3.3 元器件布局
元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的规则有：
（1）元器件的放置顺序。先放置与电路结构有关的需固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置锁定，以免被误移动;再放置电路中的特殊元器件，如发热元件、大体积元件、IC等;最后放置小元件。
（2）元器件的安放位置。首先应考虑特殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电解电容;去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚，并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分开;模拟信号与数字信号分开;高频信号与低频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常传送。
（3）元器件的放置方向。在设计许可的条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接、测试和返修。
3.4 电路板布线
合理的布线可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用的规则有：
（1）布线的位置。布线应尽量走在焊接面;模拟部分和数字部分的地和电源应分开布线;大电流、高电压信号与小信号之间应注意隔离;尽量少用过孔、跳线;布线也应留有足够的工艺边。
（2）布线的宽度与长度。除地线外，在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路应尽量小;由于：
b：线宽，d：厚度，l：长度，因此在可能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于降低线路阻抗，也可减弱由于连线引起的各种干扰效应。
（3）布线的角度。布线时应避免锐角、直角，宜采用135°或圆角布线。
3.5 工艺文件处理
布线完成后，需要对个别元器件、布线和文字的位置和大小等进行调整完善，以便进行生产、调试和维修。然后进行覆铜，推荐采用接地覆铜方式。其次核对网络是否与原理图一致，最后还可使用软件仿真功能对电路进行调试。
4.结论
总之，硬件电路设计过程中的每一个细节都可能成为导致设计成功与失败的关键。作为电路设计的硬件工程师，必须努力积累经验，不断创新，才能设计出具有推动性的产品。
参考文献
[1]朱铭锆.DSP系统硬件设计（二）――DSP系统硬件原理图、PCB设计和系统调试技巧[J].今日电子，2003（09）.
