一个电路设计：从原理图到PCB板的绘制基于orcad

一个电路设计：从原理图到 PCB 板的绘制基于 orcad（备忘）

 

（原理图中的如何搜索放置元器件和连接元器件和应用全局的电源网络，生成材料清单）

（ PCB 图中如何制定板子的需要比如线宽和 spacing ，指定模板）

 

原理图如下图所示：

这是一个基本的电路：

 

包括一个有源的元件（运放）和几个无源的元器件（比如电阻和电容），一个插座提供双电源和信号的输入输出的接口。直插元件包括连接器和供电滤波电容，贴片元件包括放大器，旁路电容以及增益电阻。

当根据实际要求设计电路之后，最好制作一个元器件清单，包括连接器（插针插座），在常用的元器件目录中找到你常用的喜欢的元件并且下载元器件数据手册，然后存放到一个专用的文件夹中。

有必要建立一个表格来记录详细的元器件名称（实际中能够买到的，没有停产的）和对应的封装，当 PCB 板生产出来的时候，你买到的元器件能够对应的上。在整个设计过程中你可以添加或者修改一些信息文档比如元器件的供电电压功耗等等特殊的要求。当在调试的过程中如果出现错误，你就可以很快的知道是那些地方出现了错误。下图是这个电路用到的

元器件清单：

这些都做好之后，就可以开始原理图的绘制：

首先建立一个工程（怎样建立一个工程，工程的设置），然后绘制原理图：

选中 PC Board Wizard 这个选项。选项 Analog or Mixed A/D 用来建立 PSpice 仿真工程的。

然后选择一个合适的地方存储你的工程。在下一步中不要选择 enable project simulation 。然后点击 NEXT.

然后在下一步中，添加 CONNECTOR,DIscrete ，和 OPAmp 元件库。

 

在放置元件之前，需要先将 place grid 选中（选中了就是灰色的，如果不选中的话，放置的元件将会不能连上 wire ，因为元件的管脚没有放置在 grid 上，但是 wire 一般都是根据 grid 进行连接的）。然后是放置元件，放置元件，需要到库中寻找。

就需要对绘图的软件的库文件有一些了解（库文件的特点以及分布特点）。当放置某些元器件的时候，如果没有，还需要自己根据 datasheet 建立自己的库文件（怎样建立库文件）。

原理图的最终效果图如下：

有源元件一般都有电源引脚也是接电源的那个供电的引脚一般是 VCC 之类的，这些引脚有几种情况，比如：这个引脚（ Pin ）定义的类型为 power 类型，但是这个 Pin 是隐藏的，不可见的，或者是一个 power 类型的，但是可见的。或者是这个 Pin 的类型是（ passive 或者 input 等），一般是可见的。可见的意思是说这个 Pin 对于连接导线的工具（ wire ）来说说可见的，并不是针对的用户，不过一般情况下，一个不可见的 Pin 对于用户来说一般也是不可见的。对于数字元件来说，一般是不可见的 power 类型的引脚。但是对于模拟器件，尤其是放大器，通常一个引脚要么是可见的 power 类型的引脚，要么是可见的非 power 类型的引脚。

       如果一个元件的供电引脚是一个 power 类型的引脚而且是不可见的，你不能直接的将它连接到一个 wire （ net ）上。

一个不可见的 power 类型的 pin 是一个 net 而且是全局的。可以通过取相同的名字将一个元件的 power 类型的 pin 连接到一个 power symbol 。为了建立连接你需要在原理图上放置一个 power symbol （全局的）。 Power Symbol 一直是可见的并且 wired 到一个板子接口的插座上（ connect ）上，或者是一个仿真的供电电源上（ PSpice power ）。可以修改 power pin 的名称或者 power symbol 的名称，使它们属于同一个网络

如果一个供电引脚是 power 类型的 pin ，而且是可见的，可以直接的用 wires 连接上，也可以应用 power 类型的 pin 的全局的属性应用 power symbols 。如果应用全局特性名字应该一样，如果是直接连接就不用考虑名字的改变了。如果你应用一个有多个 part 的封装的时（比如一个有四个放大器，共享 powerpin ），所有在放置在原理图中的属于这个封装中的 part ，必须让他们的电源供电引脚以相同的方式连接。要么都是全局的，要么全都是通过 wire 连接的。

如果一个元件的供电引脚不是一个 power 类型的引脚（ pin ），你必须应用一个 wire 去连接那个 pin 到其他的物体，比如一个 power symbol 或者一个板子的接口（ connect ）。如果一个放置了多于一个 part 从一个有多个 part 的封装中（而且这个封装的供电引脚不是 power 类型的），只需其中一个 part 的供电引脚连接，（当然你也可以将所有的供电引脚都连上），

（通过看第七章了解一下更多关于 pin 类型的信息）

Zero-length power pins 和 line-length power pins 对于 wire 都是可见的，但是对于用户来说 zero-length pins 是不可见的。

放置 power symbol （比如 vcc ， gnd 等等）。他就是常见的电路中的各种电源符号。

当在原理图上修改一个元件的封装的时候（也可以对一个元件的单个的引脚进行单独的操作）， design cache 与 part library 之间的连接就被打破了，在本章的最后详细的讲述细节在管理 design cache 方面。（关于 design cache 。 Cleanup cache 移除从 design cache 移除不用的元件。）。

为 PCB 设计做好准备：

当所有的元件之间的连接都完成之后，下一步就是准备制作一个 LAYOUT netlist 了。

 

（1）       保证所有的元件的封装都安排上了

（2）       给相关的元件分组

（3）       执行一次 annotation

（4）       清除 design cache

（5）       在原理图中执行一次 DRC

（6）       生成网络表

Grouping related Components

可以将同一部分的电路（比如运放和他的引脚上的那个滤波电容）作为一个组（ group ），这样生成网络表的时候，导入 PCB ，可以使在 PCB 中放置元件更加的容易，分组号信息将在原理图中安排并且导入到 Layout 中去。

执行 annotate ，通过软件制动对元件设置标号。

并且为每个元件指定 PCB 封装。

绘制完毕原理图的时候，执行一次原理图的 DRC 检查，看一下你的设计上并不是遵守设计规则。如果没有错误，就生成网络表 netlist 。

不要关闭原理图工程，以便原理图与 PCB 图之间进行交流。

然后开始进行 PCB 板的设计：

首先要分析一下板子的需求，根据设计中用到的元件的类型（封装和安装类型），得出板层的层数，走线的宽度和布线的间隔的需要。

设计中用到了贴片和直插元件还有 8 个脚的 SOIC 元件。设计的需要在下图中列了出来。

这个图显示了板子的主要需求。

以为至少需要两个电源和一个 ground 电源层，而且至少需要两个布线层。（除非跳线），那就需要 5 层了，因为大多数的多层板是由双层板的内核叠加而成，所以只可能得到偶数成的多层板。我们可以应用那个多出来的层作为一个额外的 ground 电源层，有很多的电源层的堆叠方法，（第 6 章中有介绍）。下图为设计的板层叠加图，这样可以表明两个不同的方法来定义电源层。 ( 一般的 PCB 的设计时候的板子的层的分配情况 ) 。

 

走线的宽度决定于两个设计限制，（走线的宽度与电流的大小以及本身的阻抗的关系）第一个是需要的电流大小，第二个是走线的阻抗。通过 datasheet 我们可以知道， UA741 的短路输出电流为 40ma ，为安全，设置为 100Ma ， 应用阻抗为 1 欧姆的铜板作为板层，通过第六章中的方程 17 或者第六章中的图表，最小的走线宽度是 1.3mils 对于 inner layers 。 0.5mils 对于 outer layers 。所有的工艺图在 9-4 中，都比 6mils 要宽可以应用任意的工艺图。

在第 6 章中你将会看到 6mil 的走线可以通过大约 300ma 的电流在内部的走线中，和大约 600ma 的电流在外部的 traces 上。

在这个例子中，我们指定所有的信号都是非常低的频率（小于 20khz ）。所以走线的阻抗是不用考虑了。

决定走线间的间隔

那个运放需要双电源供电，可以高达正负 15v （输入输出信号必须在这个范围之间），那么两个走线之间最大的压差就是 30v ，所以走线的空间间隔必须能够达到这个要求。如果为了安全起见，要用 31―50v 的标准，而且还要用到 soldermask （阻焊剂），通过第 6 章的 6-8 ，走线的空间间隔必须是 4mil 在内部层上， 5mils 在外部层上。

当你第一次打开一个设计的时候， Layout 将会问你需要那个技术工艺文件，工艺图定义了板子的结构，并且设置了板子对于走线宽度，布线空间的要求（比如走线与走线之间，走线与焊盘之间），默认的 grids ， padstack ，默认的颜色等等。一个完整的技术文档默认值设置以及特性在附录 a 中有介绍。

 

导入网络表到 layout 中去，

Zoom all

设置板子并且制作一个板子的 outline

在布板子之前第一个步骤就是制作板子的 outline 和添加安装孔，这样板子的范围可以知道。首先要关闭 DRC box 通过切换 Online  DRC （ DRC 的作用 ）按钮，然后画一个板子的外框。

选择 Board outline （绘制 Board outline 的方法 ）在 Global layer 上。从 0 ， 0 开始向左在向上在向右，在向下。

Board outline 占据很多种 obstacle （ obstacle 的作用及其分类用法 ）的属性，包括 place outlines ， route keep-outs ，和 anti-copper 。这个 board outline 可以提醒你当元件或者走线离板子的边沿太近了。它同时还可以移除铺铜从电源层，这样导体就不会暴露在板子的边沿上了。移除的多少由 outline 的宽度决定。

添加安装孔，

下一步就是在板子上安装装配孔。这个必须在把任何元件移入 board outline 中之前完成。安装装配孔的时候，（ AUTOECO 的作用）要选中 Not in Netlist , 防止这个安装孔被移除当运行 ANTOECO 的时候，可以将一个装配孔与其他的所有的层中的 copper 孤立起来，如果它是一个镀金属的安装孔，可以将它连接到一个网络上 。（比如 grounp plane ）。具体的方法是：选中 PIN tool ，然后 ctrl+left click 那个安装孔（ padstack ），右击，然后选择 properties 显示 modify connectioons 。（安装孔或者 pin 或者 via 都属于焊盘 ）。

选择你想附加到的 net 或者 plane 上 。

安装孔在 layout 中，默认的都是 plated 的。要想制作一个 nonplated 的，就要切换 PIN TOOL , 然后选择安装孔中的 padstack （用 ctrl+left-click ），切换到 VIEW SPREADSHEET

然后右击选中 PROPERTIES . 选择 NON-PLATED 选项。

需要用一个单独的 drill file 叫做 thruhole.npt （ plated througth-holes 被改为 thruhole.tap ）， NONPLATED HOLES 在板子制作的最后阶段进行加工，在最后阶段没有 plating 工序了。

看第 8 章，找到其他的设计安装孔的方法，索引 E 是一些标准的机器 screw 和 drill 孔的 sizes 。

添加尺寸标度，（不同的对象在不同的层上，整理一下）

可以将尺寸标度作为文档使用，也可以作为暂时的标度，指导你去标记安装孔的位置，和连接。尺寸可以放在 assembly 或者 comment layers 上。（比如 NOTES LAYER 上 ）。当对当前的布局满意的时候。可以删除掉文档层或临时的尺寸标注。

添加尺寸标注需要三个过程，分别是 tools―Dismension --- 指定 snap setting -------- 指定尺寸的类型 ---- 放置尺寸。

当 grid 和 type 都设置了，你不必在去设置了。 Absolute dismension 或者 relative dismension 。当尺寸标注完成的时候， line 变成一个简单的 obstacle ，距离数字变成一个简单的文本 text ，你可以移动他们，当时不会有任何的改变。

放置 parts 。

放置元件布局是一个布局艺术和布局科学。你的板子的最终布局，决定了你以后的板子的机械性能和电器性能。机械性能包括以后的手工的装配和焊接。以及板子的物理大小，形状，等等，电器 性能包括信号的流动，热量控制，信号完整性，电磁兼容。通常情况下，这些因素都很重要，而且有时候相互的矛盾。这些在第 4 ， 5 ， 6 章中都有详细的解释。

刚开始的时候，元件都被放置在原点的左边。第一步是去寻找某个元件，然后将它放到 board outline 中。有一些好的方法，帮助你在移动的过程中，使画面看起来更加的简洁。

首先是先关闭装配层（ layers ）（ AST 和 ASB ），然后是关闭 nest （飞线）。

关闭装配层（ layers ）的方法是选中 AST 层，点击“―”键，将这个层关闭。如果你想打开这个层，你可以在按一次“―”或者直接选中 AST 层在 layers list 中，

有两中方法去关闭飞线，第一种是去切换 RECONNECT button 这样只是将 nets 变得不可见了。可以通过切换 spreadsheets 选择 Nets 。使某些 nets 能与不能。

在放置元件之前最好先调整放置格点， option---system setting ，改变 place grid 【 x ， y 】

到 50 mil 或者（ 25 mils 看一下 IPC 的建议）。

你可以手工的选择一个元件，左击远近，移动鼠标，然后在合适的位置再左击，或者同“ R ”快捷键，使他旋转，或者按下“ T ”快捷键，将元件放在板子的另一面。

也可以通过 Find/GO 命令。

也可以将一个元件的 snap 到 cursor ，显示一个

选择元件的方法，

先选中电源网络，其他的网络都取消了（暂时不用使能了），将放大器的电阻放在放大器周围这样能够使信号流的更远。

当元器件放到预期的位置之后可以用， text 工具将（ U1,J1 ）等等放置到合适的位置。

便于阅读，

在进行设置 layers 和布线之前，先进性一下 DRC 检查。看一下有没有大的错误。

 

在大型的电路中，找到特定的 nets 是个不小的挑战。可以通过原理图与 layout 的交互，进行 nets 的选择，快速选择。

设置 layers ，将 nets 与 layers 联系起来。

一旦将元器件放置完毕，第二部就是进行 layers 的设置了。这个设计我们需要六层 --- 两个电源层，两个地层，两个布线层。

有两种方法添加电源层。一种方法就是转变一个布线层到一个电源层中去。通过一个当前的电源层生成一个新的电源层。层的名字没有必要和 nets 的网络相同，但是相同了会很方便。

只用改变一下层的类型就行了，不要改变层的 NICKNAME. 层的 nickname 和一个模板文件有联系。

用第二种方法添加一个 GND plane 。

下一步是要安排他们各自的电源与地的网络到相应的电源层中去。

指定 vias 为 fanouts 。你可以指定那个 via 用来 fanouts ，那个 via 用来为特定的 nets 。

欲布线板子

    

为 power 和 ground nets 布线

将其他的 nets disable 。将 power 和 ground nets 到他们指定的 planes 中去。

每一个连接到 plane layers 的 pin 将会有一个 thermal relief 包围着这个，贴片元件没有说因为它没有路径到 planes 中去，下一步就是提供路径到 plans 。

FANNING OUT POWER AND GROUND

       一般情况下，建议将 power 和 ground 分开来 fannout 。 一般是 ground 先 fanout 。可以通过自动的 fanout ，但是 power 可能需要手工的 fanout 。

可以改变一个 nets 的颜色。来改变一个 thermals 的颜色。

手工的布线的 fanout

Lock traces

要想使一个 nets 被布线可以将其 disable ，防止一个 trace 被 unrouted ，可以 lock 一个 trace 。

在板子自动的布线之前，执行一次 DRC 检查。

在电源层上的 Pads 实际上是 clearances 。

自动的布线

当 power 和 ground 连接和其他的关键的走线已经欲布置好了之后，所有的错误都被排除了。你可以自动布线来布剩下的板子。在自动布线之前一定要记得去 disable 和 lock ground 和 power nets ，并且使能 signal nets 利用 NETS Spreadsheet 。

控制那个 route box （ 自动布线与 DRCbox 的关系 ）

自动布线器可以在 DRC box 定义的区域进行布线。 你有选择告诉自动布线器去为整个板子布线或者仅仅在 DRCbox 定义的区域中布线。你可以指定 DRC 的大小 。

运行 autorouter 。

当自动布线完成之后，必须检查错误的地方，比如锐角。长的平行的走线和坏的 via 位置。第 6 章讨论了几个和其他的布线问题。这个时候可以执行一下 DRC ，看看有没有新的问题出现。可能需要移动或者取消一些布线应用手工的布线工具。

对布线进行统计。

看看是不是 100% 的布通了。

同步 PCB 设计到 capture （ back annotation ）。

 

Postprocess 。