内容简介
《Cadence高速电路板设计与仿真(第5版)――原理图与PCB设计》以Cadence Allegro SPB 16.6为基础,从设计实践的角度出发,以具体电路的PCB设计流程为顺序,深入浅出地详尽讲解元器件建库、原理图设计、布局、布线、规则设置、报告检查、底片文件输出、后处理等PCB设计的全过程。本书的内容主要包括原理图输入及元器件数据集成管理环境的使用、中心库的开发、PCB设计工具的使用,以及后期电路设计处理需要掌握的各项技能等。
作者简介
周润景教授,IEEE/EMBS会员,中国电子学会高级会员,航空协会会员,主要研究方向是高速数字系统的信号与电源完整性联合设计与优化,具有丰富的数字电路、传感器与检测技术、模式识别、控制工程、EDA技术等课程的教学经验。
目录
第1章 Cadence Allegro SPB 16.6简介
1.1 概述
1.2 功能特点
1.3 设计流程
1.4 Cadence OrCAD新功能介绍
1.5 Cadence Allegro新功能介绍
1.5.1 产品增强功能(Productivity Enhancements)
1.5.2 走线互连优化[Route Interconnect Optimization(RIO)]
1.5.3 制造设计(Design for Manufacturing)
1.5.4 团队设计(Team Design)
1.5.5 嵌入式组件设计(Embedded Component Design)
第2章 Capture原理图设计工作平台
2.1 Design Entry CIS软件功能介绍
2.2 原理图工作环境
2.3 设置图纸参数
2.4 设置设计模板
2.5 设置打印属性
第3章 制作元器件及创建元器件库
3.1 创建单个元器件
3.1.1 直接新建元器件
3.1.2 用电子表格新建元器件
3.2 创建复合封装元器件
3.3 大元器件的分割
3.4 创建其他元器件
习题
第4章 创建新设计
4.1 原理图设计规范
4.2 Capture基本名词术语
4.3 建立新项目
4.4 放置元器件
4.4.1 放置基本元器件
4.4.2 对元器件的基本操作
4.4.3 放置电源和接地符号
4.4.4 完成元器件放置
4.5 创建分级模块
4.6 修改元器件序号与元器件值
4.7 连接电路图
4.8 标题栏的处理
4.9 添加文本和图像
4.10 建立压缩文档
4.11 平坦式和层次式电路图设计
4.11.1 平坦式和层次式电路特点
4.11.2 电路图的连接
习题
第5章 PCB设计预处理
5.1 编辑元器件的属性
5.2 Capture到Allegro PCB Editor的信号属性分配
5.3 建立差分对
5.4 Capture中总线(Bus)的应用
5.5 原理图绘制后续处理
5.5.1 设计规则检查
5.5.2 为元器件自动编号
5.5.3 回注(Back Annotation)
5.5.4 自动更新元器件或网络的属性
5.5.5 生成网络表
5.5.6 生成元器件清单和交互参考表
5.5.7 属性参数的输出/输入
习题
第6章 Allegro的属性设置
6.1 Allegro的界面介绍
6.2 设置工具栏
6.3 定制Allegro环境
6.4 编辑窗口控制
习题
第7章 焊盘制作
7.1 基本概念
7.2 热风焊盘的制作
7.3 通过孔焊盘的制作
7.4 贴片焊盘的制作
第8章 元器件封装的制作
8.1 封装符号基本类型
8.2 集成电路(IC)封装的制作
8.3 连接器(IO)封装的制作
8.4 分立元器件(DISCRETE)封装的制作
8.4.1 贴片的分立元器件封装的制作
8.4.2 直插的分立元器件封装的制作
8.4.3 自定义焊盘封装的制作
习题
第9章 PCB的建立
9.1 建立PCB
9.2 输入网络表
习题
第10章 设置设计规则
10.1 间距规则设置
10.2 物理规则设置
10.3 设定设计约束(Design Constraints)
10.4 设置元器件/网络属性
习题
第11章 布局
11.1 规划PCB
11.2 手工摆放元器件
11.3 快速摆放元器件
习题
第12章 高级布局
12.1 显示飞线
12.2 交换
12.3 使用ALT_SYMBOLS属性摆放
12.4 按Capture原理图页进行摆放
12.5 原理图与Allegro交互摆放
12.6 自动布局
12.7 使用PCB Router自动布局
习题
第13章 敷铜
13.1 基本概念
13.2 为平面层建立Shape
13.3 分割平面
13.4 分割复杂平面
习题
第14章 布线
14.1 布线的基本原则
14.2 布线的相关命令
14.3 定义布线的格点
14.4 手工布线
14.5 扇出(Fanout By Pick)
14.6 群组布线
14.7 自动布线的准备工作
14.8 自动布线
14.9 控制并编辑线
14.9.1 控制线的长度
14.9.2 差分布线
14.9.3 高速网络布线
14.9.4 45°角布线调整(Miter By Pick)
14.9.5 改善布线的连接
14.10 优化布线(Gloss)
习题
第15章 后处理
15.1 重命名元器件序号
15.2 文字面调整
15.3 回注(Back Annotation)
习题
第16章 加入测试点
16.1 产生测试点
16.2 修改测试点
习题
第17章 PCB加工前的准备工作
17.1 建立丝印层
17.2 建立报告
17.3 建立Artwork文件
17.4 建立钻孔图
17.5 建立钻孔文件
17.6 输出底片文件
17.7 浏览Gerber文件
17.8 在CAM350中检查Gerber文件
习题
第18章 Allegro其他高级功能
18.1 设置过孔的焊盘
18.2 更新元器件封装符号
18.3 Net和Xnet
18.4 技术文件的处理
18.5 设计重用
18.6 DFA检查
18.7 修改env文件
18.8 数据库写保护
习题
前言/序言
《高效PCB设计与验证:从原理图到生产的精细化指南》 引言 在当今电子产品飞速迭代的时代,高性能、高可靠性的电路板设计是产品成功的关键。从消费电子到工业控制,再到尖端的通信和医疗设备,每一款产品都离不开精密的PCB(Printed Circuit Board)设计。然而,PCB设计并非简单的连线堆砌,它是一门融合了电学原理、信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、热管理以及先进制造工艺的复杂工程学科。本书旨在为读者提供一套系统、深入且实用的PCB设计流程和技术指南,涵盖从概念提出、原理图绘制,到PCB布局布线、信号完整性分析、电源完整性分析,再到电磁兼容性优化、热管理以及最终的生产制造衔接等全方位的知识。我们致力于帮助工程师们掌握从零开始构建高效、稳定、可靠的电子产品核心——电路板设计的方法论,并应对在设计过程中可能遇到的各种挑战。 第一章:现代电子系统设计概述与PCB在其中扮演的角色 电子系统演进与挑战: 简述电子系统从早期集成电路到当前高度集成的SoC(System on Chip)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等的发展历程。分析当前电子系统设计面临的普遍挑战,如信号速度的指数级增长、功耗的限制、器件密度的提升、多功能集成带来的复杂性、以及越来越严格的性能和可靠性要求。 PCB设计的核心地位: 阐述PCB在现代电子系统中的关键作用,它不仅是连接电子元器件的物理载体,更是决定信号传输质量、电源分配效率、电磁兼容性以及整体系统性能的关键要素。深入理解PCB设计对于成功实现高复杂度电子产品的设计至关重要。 高性能PCB设计的要素: 介绍高性能PCB设计所必须考虑的核心技术领域,包括但不限于: 高速信号传输: 阻抗匹配、信号反射、串扰、损耗等。 电源完整性: 电源噪声、去耦、地弹、电源分配网络(PDN)设计。 电磁兼容性(EMC): 辐射、传导干扰的抑制与防护。 热管理: 元器件散热、PCB散热设计。 信号完整性(SI)与电源完整性(PI)的相互影响: 强调SI与PI在整体设计中的联动性。 设计规则与制造工艺: 了解PCB制造的限制,以确保设计可制造性。 设计流程概览: 勾勒出完整的PCB设计流程,从需求分析、方案设计、原理图绘制、PCB布局布线、设计验证到最终的生产制造。强调各个环节的相互依赖与迭代关系。 第二章:原理图设计的精髓:准确、清晰与规范 原理图作为设计的蓝图: 强调原理图是PCB设计的逻辑基础和沟通桥梁,其准确性和清晰度直接影响后续PCB设计的效率和质量。 电子元器件的选择与管理: 元器件选型原则: 考虑性能、功耗、成本、可用性、封装等因素。 元器件库的构建与管理: 建立规范、统一的元器件库,包括符号、封装、模型等,确保设计的一致性和可维护性。 受控元器件(Controlled Components)的重要性: 解释关键元器件(如晶振、高速接口器件)在设计中的特殊性。 原理图符号绘制规范: 标准符号的应用: 遵循业界通用标准,确保图纸的可读性。 自定义符号的设计: 在必要时,如何设计专业、清晰的自定义符号。 引脚命名与编号: 规范的命名与编号有助于理解元器件的功能和连接。 信号与电源的命名与层次化设计: 信号命名的原则: 清晰、有意义的命名,反映信号的功能和方向。 电源命名: 区分不同的电源域,如VDD、VCC、VPP等,及其对应的地(GND、AGND、DGND)。 层次化原理图: 利用模块化设计,将复杂系统分解为可管理的单元,提高设计效率和可读性。 总线(Bus)的应用: 有效组织大量同类型信号。 连接与端口管理: 导线(Wire)的绘制: 避免交叉、锐角,确保连接的清晰。 端口(Port)的定义: 连接不同层次图纸或模块的接口。 差分信号的绘制: 明确标识差分对,确保布线一致性。 电气规则检查(ERC): ERC的意义与作用: 检查原理图中的电气连接错误,如未连接的引脚、短路、悬空等。 常见ERC检查项: 详细介绍各种ERC检查项及其排除方法。 原理图注释与文档: 必要的注释: 解释关键设计决策、特殊连接、注意事项等。 物料清单(BOM)的生成: 从原理图中自动生成BOM,是后续生产的基础。 导出网表(Netlist): 为PCB布局布线提供连接信息。 第三章:PCB布局布线:优化的艺术与实践 PCB布局(Placement)的战略思考: 元器件类型的划分: 将数字、模拟、射频、电源、高速接口等区域进行合理划分。 信号流的规划: 按照信号流向进行布局,最小化信号路径长度,减少交叉。 关键元器件的定位: 如连接器、时钟源、电源管理芯片、高速接口等。 散热考虑: 将发热量大的器件放置在有利于散热的位置,配合散热措施。 EMI/EMC考虑: 避免敏感信号靠近干扰源,合理布局地线。 可制造性(DFM)与可测试性(DFT): 确保器件易于焊接、测试,考虑贴片机器人的操作空间。 PCB布线(Routing)的精细化技法: 高速信号布线: 阻抗匹配: 走线宽度、介质厚度、叠层设计对微带线、带状线的阻抗控制。 等长与延迟控制: 对于时序敏感的信号(如时钟、总线),进行等长处理。 差分信号布线: 紧密平行、等宽、等距、等长,避免突变。 串扰(Crosstalk)的抑制: 增大走线间距、使用屏蔽层、降低回流路径重叠。 过孔(Via)的优化: 减少高密度、高速信号的过孔数量,选择合适的过孔类型(盲孔、埋孔)。 电源与地线布线: 电源分配网络(PDN)的设计: 宽阔的电源层和地平面,提供低阻抗的电源路径。 去耦电容(Decoupling Capacitors)的布局: 靠近IC电源引脚,选择合适的容值和类型。 地弹(Ground Bounce)的控制: 保证良好的地连接,避免大电流切换产生的地电位抬升。 多层板的地平面(Ground Plane)策略: 完整、连续的地平面,提供低阻抗回流路径。 模拟信号布线: 模拟与数字信号的隔离: 避免模拟信号受到数字信号的干扰。 参考地(Reference Ground)的设置: 区分模拟地和数字地,必要时进行单点连接。 RF信号布线: 阻抗控制的严格性: 匹配射频传输线阻抗。 屏蔽与隔离: 避免外部干扰和内部辐射。 布线规则(Design Rules)的设置与管理: 线宽、间距规则: 根据工艺能力和信号要求设置。 过孔规则: 控制过孔尺寸、间距、类型。 DRC(Design Rule Check)的意义: 自动检查布线是否违反预设规则,及时发现错误。 手动布线与自动布线(Autorouting)的结合: 手动布线的优势: 精确控制关键信号,优化布线策略。 自动布线的适用场景: 辅助完成大部分非关键信号的布线,提高效率。 自动布线后的优化: 即使使用自动布线,也需要人工进行检查和优化。 PCB叠层设计(Layer Stackup): 多层板的结构: 信号层、电源层、地层、介质层。 阻抗控制的实现: 通过介质厚度和线宽来精确控制微带线和带状线的阻抗。 信号完整性与电源完整性的关系: 合理的叠层设计是SI和PI优化的基础。 HDI(High Density Interconnect)技术: 介绍微盲孔、埋孔等技术在提高布线密度和性能上的应用。 第四章:信号完整性(SI)分析与优化 信号完整性问题的重要性: 解释当信号速度达到一定程度时,PCB走线不再是理想的导线,信号的失真、反射、串扰等将严重影响系统稳定性。 信号完整性的基本概念: 阻抗(Impedance): 特性阻抗、传输线阻抗。 反射(Reflection): 阻抗不匹配导致信号能量回流。 串扰(Crosstalk): 相邻信号线之间的电磁耦合。 损耗(Loss): 信号在传输过程中的能量衰减(介质损耗、导体损耗)。 时序(Timing): 信号到达接收端的时间,抖动(Jitter)的影响。 SI分析的工具与流程: 仿真软件的应用: 介绍常见的SI仿真工具,如Cadence Sigrity, Ansys SIwave等。 分析模型的建立: 从原理图和PCB布局布线信息中提取准确的模型。 仿真实践: 如何设置仿真参数,运行仿真,解读仿真结果。 SI问题诊断与解决策略: 反射的诊断与抑制: 终端匹配: 端接电阻(串联、并联、戴维南)的应用。 阻抗控制的校正: 调整线宽、介质厚度、层间距。 串扰的诊断与抑制: 增大间距: 增加信号线之间的物理距离。 合理布局: 将耦合强度的信号线交叉排列(90度),或将它们放置在不同层。 参考平面(Reference Plane)的优化: 确保信号线下方有完整的参考平面。 损耗的分析与降低: 选择低损耗介质材料。 优化走线长度。 考虑表面处理。 时序与抖动的分析: 时钟树(Clock Tree)设计。 延迟匹配。 提高信噪比(SNR)。 高速接口设计中的SI考虑: 如DDR、PCIe、USB、Ethernet等,强调其特定的SI设计要求。 第五章:电源完整性(PI)分析与优化 电源完整性问题的重要性: 解释不稳定的电源供应会给数字电路带来误触发、性能下降等问题。 电源完整性的基本概念: 电源分配网络(PDN): 为芯片提供稳定、低噪声的直流电源。 电源噪声(Power Noise): 由于开关电流、耦合等产生的电源电压波动。 去耦(Decoupling): 使用电容平滑电源噪声。 电源抑制比(PSRR - Power Supply Rejection Ratio)。 地弹(Ground Bounce)与电源塌陷(Power Collapse)。 PI分析的工具与流程: 仿真软件的应用: 介绍常见的PI仿真工具。 PDN阻抗的建模与分析: 稳态与动态噪声分析。 PI问题诊断与解决策略: PDN阻抗的优化: 增加电源和地平面的数量和面积。 减小电源和地平面之间的介质厚度。 使用高导电率的材料。 优化电源和地平面之间的过孔连接。 去耦电容的设计与布局: 电容选型: ESr(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)的影响。 电容的摆放: 靠近IC电源引脚,形成短的电流回路。 多级去耦: 不同频率响应的电容组合。 电源轨(Power Rail)的噪声抑制: 线性稳压器(LDO)与开关稳压器(Switching Regulator)的权衡。 滤波器的应用。 地弹与电源塌陷的预防: 减小驱动能力强的器件的同步切换。 优化地线回路。 低功耗设计中的PI考虑: 动态电压和频率调节(DVFS)带来的PI挑战。 第六章:电磁兼容性(EMC)设计与优化 EMC概述与法规要求: EMI(Electromagnetic Interference)与EMC(Electromagnetic Compatibility)。 国内外EMC标准与认证要求(FCC, CE等)。 EMC问题的产生机制: 辐射(Radiation): 信号线、PCB走线、器件等发出的电磁波。 传导(Conduction): 电源线、信号线上传导的噪声。 耦合(Coupling): 电容耦合、电感耦合。 EMC设计原则与实践: 源头控制: 降低器件的辐射能力,如选用低EMI器件。 路径控制: 优化PCB布局布线,减小信号辐射和耦合。 差分信号的屏蔽。 电源和地平面作为屏蔽层。 合理的走线方向与间距。 避免长而裸露的走线。 接收端防护: 增加滤波、接地等措施。 PCB层叠设计与EMC: 完整的接地平面。 敏感信号层远离PCB边缘。 连接器的EMC设计: 屏蔽连接器,良好的接地。 电缆与线缆的EMC设计: 屏蔽层、滤波器的使用。 EMI/EMC仿真工具的应用。 EMC测试与调试: 预兼容性测试(Pre-compliance Testing)。 现场EMC测试。 EMC问题点定位与解决。 第七章:热管理在PCB设计中的应用 电子器件发热的机理: 功耗转化为热量。 PCB散热的重要性: 避免过热导致的性能下降、寿命缩短甚至损坏。 热管理的基本策略: 提高散热路径的导热能力: 铜厚与敷铜: 增加PCB铜厚,大面积敷铜。 热过孔(Thermal Vias): 连接上下层铜皮,增加散热面积。 热传导材料(Thermal Interface Materials - TIMs)。 增加散热表面积: 散热片(Heatsinks)。 风扇(Fans)。 强制风冷与自然对流。 PCB布局中的热考虑: 发热器件的布局: 远离对温度敏感的器件,留出散热空间。 气流路径的规划。 PCB材料的热性能: FR-4, 高频板材等。 热仿真(Thermal Simulation)的应用。 第八章:PCB设计流程的集成与协同 从原理图到PCB的完整转换: 网表导入,元件封装对应。 设计数据的管理与版本控制: 确保团队协作的顺畅。 与其他工程领域的协同: 软件工程: 嵌入式软件开发与硬件功能验证。 机械工程: PCB板的安装、外壳设计。 测试工程: 测试点(Test Point)的规划,可测试性设计(DFT)。 设计评审(Design Review)的重要性: 跨部门、跨学科的评审,发现潜在问题。 第九章:PCB制造与装配的考量 PCB制造工艺流程概述: 材料选择。 钻孔。 线路制作(蚀刻)。 电镀。 阻焊层(Solder Mask)与丝印层(Silkscreen)。 表面处理(Surface Finish)。 可制造性设计(DFM - Design for Manufacturability): 最小线宽、间距与制造能力匹配。 过孔设计。 元器件间距。 对位精度。 可装配性设计(DFA - Design for Assembly): 元器件的贴装方向。 元器件的密度。 焊接的可行性。 Gerber文件与其他生产数据的生成与检查。 PCBA(Printed Circuit Board Assembly)过程中的关键点: 贴片、回流焊、清洗、检测。 第十章:高级PCB设计主题与未来趋势 HDI(High Density Interconnect)技术。 埋入式元器件(Embedded Components)。 柔性PCB(Flexible PCB)与刚挠结合板(Rigid-Flex PCB)设计。 射频(RF)与微波PCB设计。 堆叠(Stackup)优化与层数限制。 新兴材料与工艺。 人工智能(AI)在PCB设计中的应用前景: 自动优化、智能诊断。 可持续设计与环保考量。 结语 PCB设计是一个不断学习和实践的过程。本书提供的知识体系旨在为读者打下坚实的基础,并引导大家掌握解决实际设计问题的能力。通过理论与实践的结合,不断地迭代与优化,每一位工程师都能设计出符合时代需求的高性能、高可靠性电路板。我们希望本书能成为您在PCB设计道路上可靠的伙伴。