內容簡介
《Cadence高速電路闆設計與仿真(第5版)――原理圖與PCB設計》以Cadence Allegro SPB 16.6為基礎,從設計實踐的角度齣發,以具體電路的PCB設計流程為順序,深入淺齣地詳盡講解元器件建庫、原理圖設計、布局、布綫、規則設置、報告檢查、底片文件輸齣、後處理等PCB設計的全過程。本書的內容主要包括原理圖輸入及元器件數據集成管理環境的使用、中心庫的開發、PCB設計工具的使用,以及後期電路設計處理需要掌握的各項技能等。
作者簡介
周潤景教授,IEEE/EMBS會員,中國電子學會高級會員,航空協會會員,主要研究方嚮是高速數字係統的信號與電源完整性聯閤設計與優化,具有豐富的數字電路、傳感器與檢測技術、模式識彆、控製工程、EDA技術等課程的教學經驗。
目錄
第1章 Cadence Allegro SPB 16.6簡介
1.1 概述
1.2 功能特點
1.3 設計流程
1.4 Cadence OrCAD新功能介紹
1.5 Cadence Allegro新功能介紹
1.5.1 産品增強功能(Productivity Enhancements)
1.5.2 走綫互連優化[Route Interconnect Optimization(RIO)]
1.5.3 製造設計(Design for Manufacturing)
1.5.4 團隊設計(Team Design)
1.5.5 嵌入式組件設計(Embedded Component Design)
第2章 Capture原理圖設計工作平颱
2.1 Design Entry CIS軟件功能介紹
2.2 原理圖工作環境
2.3 設置圖紙參數
2.4 設置設計模闆
2.5 設置打印屬性
第3章 製作元器件及創建元器件庫
3.1 創建單個元器件
3.1.1 直接新建元器件
3.1.2 用電子錶格新建元器件
3.2 創建復閤封裝元器件
3.3 大元器件的分割
3.4 創建其他元器件
習題
第4章 創建新設計
4.1 原理圖設計規範
4.2 Capture基本名詞術語
4.3 建立新項目
4.4 放置元器件
4.4.1 放置基本元器件
4.4.2 對元器件的基本操作
4.4.3 放置電源和接地符號
4.4.4 完成元器件放置
4.5 創建分級模塊
4.6 修改元器件序號與元器件值
4.7 連接電路圖
4.8 標題欄的處理
4.9 添加文本和圖像
4.10 建立壓縮文檔
4.11 平坦式和層次式電路圖設計
4.11.1 平坦式和層次式電路特點
4.11.2 電路圖的連接
習題
第5章 PCB設計預處理
5.1 編輯元器件的屬性
5.2 Capture到Allegro PCB Editor的信號屬性分配
5.3 建立差分對
5.4 Capture中總綫(Bus)的應用
5.5 原理圖繪製後續處理
5.5.1 設計規則檢查
5.5.2 為元器件自動編號
5.5.3 迴注(Back Annotation)
5.5.4 自動更新元器件或網絡的屬性
5.5.5 生成網絡錶
5.5.6 生成元器件清單和交互參考錶
5.5.7 屬性參數的輸齣/輸入
習題
第6章 Allegro的屬性設置
6.1 Allegro的界麵介紹
6.2 設置工具欄
6.3 定製Allegro環境
6.4 編輯窗口控製
習題
第7章 焊盤製作
7.1 基本概念
7.2 熱風焊盤的製作
7.3 通過孔焊盤的製作
7.4 貼片焊盤的製作
第8章 元器件封裝的製作
8.1 封裝符號基本類型
8.2 集成電路(IC)封裝的製作
8.3 連接器(IO)封裝的製作
8.4 分立元器件(DISCRETE)封裝的製作
8.4.1 貼片的分立元器件封裝的製作
8.4.2 直插的分立元器件封裝的製作
8.4.3 自定義焊盤封裝的製作
習題
第9章 PCB的建立
9.1 建立PCB
9.2 輸入網絡錶
習題
第10章 設置設計規則
10.1 間距規則設置
10.2 物理規則設置
10.3 設定設計約束(Design Constraints)
10.4 設置元器件/網絡屬性
習題
第11章 布局
11.1 規劃PCB
11.2 手工擺放元器件
11.3 快速擺放元器件
習題
第12章 高級布局
12.1 顯示飛綫
12.2 交換
12.3 使用ALT_SYMBOLS屬性擺放
12.4 按Capture原理圖頁進行擺放
12.5 原理圖與Allegro交互擺放
12.6 自動布局
12.7 使用PCB Router自動布局
習題
第13章 敷銅
13.1 基本概念
13.2 為平麵層建立Shape
13.3 分割平麵
13.4 分割復雜平麵
習題
第14章 布綫
14.1 布綫的基本原則
14.2 布綫的相關命令
14.3 定義布綫的格點
14.4 手工布綫
14.5 扇齣(Fanout By Pick)
14.6 群組布綫
14.7 自動布綫的準備工作
14.8 自動布綫
14.9 控製並編輯綫
14.9.1 控製綫的長度
14.9.2 差分布綫
14.9.3 高速網絡布綫
14.9.4 45°角布綫調整(Miter By Pick)
14.9.5 改善布綫的連接
14.10 優化布綫(Gloss)
習題
第15章 後處理
15.1 重命名元器件序號
15.2 文字麵調整
15.3 迴注(Back Annotation)
習題
第16章 加入測試點
16.1 産生測試點
16.2 修改測試點
習題
第17章 PCB加工前的準備工作
17.1 建立絲印層
17.2 建立報告
17.3 建立Artwork文件
17.4 建立鑽孔圖
17.5 建立鑽孔文件
17.6 輸齣底片文件
17.7 瀏覽Gerber文件
17.8 在CAM350中檢查Gerber文件
習題
第18章 Allegro其他高級功能
18.1 設置過孔的焊盤
18.2 更新元器件封裝符號
18.3 Net和Xnet
18.4 技術文件的處理
18.5 設計重用
18.6 DFA檢查
18.7 修改env文件
18.8 數據庫寫保護
習題
前言/序言
《高效PCB設計與驗證:從原理圖到生産的精細化指南》 引言 在當今電子産品飛速迭代的時代,高性能、高可靠性的電路闆設計是産品成功的關鍵。從消費電子到工業控製,再到尖端的通信和醫療設備,每一款産品都離不開精密的PCB(Printed Circuit Board)設計。然而,PCB設計並非簡單的連綫堆砌,它是一門融閤瞭電學原理、信號完整性、電源完整性、電磁兼容性、熱管理以及先進製造工藝的復雜工程學科。本書旨在為讀者提供一套係統、深入且實用的PCB設計流程和技術指南,涵蓋從概念提齣、原理圖繪製,到PCB布局布綫、信號完整性分析、電源完整性分析,再到電磁兼容性優化、熱管理以及最終的生産製造銜接等全方位的知識。我們緻力於幫助工程師們掌握從零開始構建高效、穩定、可靠的電子産品核心——電路闆設計的方法論,並應對在設計過程中可能遇到的各種挑戰。 第一章:現代電子係統設計概述與PCB在其中扮演的角色 電子係統演進與挑戰: 簡述電子係統從早期集成電路到當前高度集成的SoC(System on Chip)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等的發展曆程。分析當前電子係統設計麵臨的普遍挑戰,如信號速度的指數級增長、功耗的限製、器件密度的提升、多功能集成帶來的復雜性、以及越來越嚴格的性能和可靠性要求。 PCB設計的核心地位: 闡述PCB在現代電子係統中的關鍵作用,它不僅是連接電子元器件的物理載體,更是決定信號傳輸質量、電源分配效率、電磁兼容性以及整體係統性能的關鍵要素。深入理解PCB設計對於成功實現高復雜度電子産品的設計至關重要。 高性能PCB設計的要素: 介紹高性能PCB設計所必須考慮的核心技術領域,包括但不限於: 高速信號傳輸: 阻抗匹配、信號反射、串擾、損耗等。 電源完整性: 電源噪聲、去耦、地彈、電源分配網絡(PDN)設計。 電磁兼容性(EMC): 輻射、傳導乾擾的抑製與防護。 熱管理: 元器件散熱、PCB散熱設計。 信號完整性(SI)與電源完整性(PI)的相互影響: 強調SI與PI在整體設計中的聯動性。 設計規則與製造工藝: 瞭解PCB製造的限製,以確保設計可製造性。 設計流程概覽: 勾勒齣完整的PCB設計流程,從需求分析、方案設計、原理圖繪製、PCB布局布綫、設計驗證到最終的生産製造。強調各個環節的相互依賴與迭代關係。 第二章:原理圖設計的精髓:準確、清晰與規範 原理圖作為設計的藍圖: 強調原理圖是PCB設計的邏輯基礎和溝通橋梁,其準確性和清晰度直接影響後續PCB設計的效率和質量。 電子元器件的選擇與管理: 元器件選型原則: 考慮性能、功耗、成本、可用性、封裝等因素。 元器件庫的構建與管理: 建立規範、統一的元器件庫,包括符號、封裝、模型等,確保設計的一緻性和可維護性。 受控元器件(Controlled Components)的重要性: 解釋關鍵元器件(如晶振、高速接口器件)在設計中的特殊性。 原理圖符號繪製規範: 標準符號的應用: 遵循業界通用標準,確保圖紙的可讀性。 自定義符號的設計: 在必要時,如何設計專業、清晰的自定義符號。 引腳命名與編號: 規範的命名與編號有助於理解元器件的功能和連接。 信號與電源的命名與層次化設計: 信號命名的原則: 清晰、有意義的命名,反映信號的功能和方嚮。 電源命名: 區分不同的電源域,如VDD、VCC、VPP等,及其對應的地(GND、AGND、DGND)。 層次化原理圖: 利用模塊化設計,將復雜係統分解為可管理的單元,提高設計效率和可讀性。 總綫(Bus)的應用: 有效組織大量同類型信號。 連接與端口管理: 導綫(Wire)的繪製: 避免交叉、銳角,確保連接的清晰。 端口(Port)的定義: 連接不同層次圖紙或模塊的接口。 差分信號的繪製: 明確標識差分對,確保布綫一緻性。 電氣規則檢查(ERC): ERC的意義與作用: 檢查原理圖中的電氣連接錯誤,如未連接的引腳、短路、懸空等。 常見ERC檢查項: 詳細介紹各種ERC檢查項及其排除方法。 原理圖注釋與文檔: 必要的注釋: 解釋關鍵設計決策、特殊連接、注意事項等。 物料清單(BOM)的生成: 從原理圖中自動生成BOM,是後續生産的基礎。 導齣網錶(Netlist): 為PCB布局布綫提供連接信息。 第三章:PCB布局布綫:優化的藝術與實踐 PCB布局(Placement)的戰略思考: 元器件類型的劃分: 將數字、模擬、射頻、電源、高速接口等區域進行閤理劃分。 信號流的規劃: 按照信號流嚮進行布局,最小化信號路徑長度,減少交叉。 關鍵元器件的定位: 如連接器、時鍾源、電源管理芯片、高速接口等。 散熱考慮: 將發熱量大的器件放置在有利於散熱的位置,配閤散熱措施。 EMI/EMC考慮: 避免敏感信號靠近乾擾源,閤理布局地綫。 可製造性(DFM)與可測試性(DFT): 確保器件易於焊接、測試,考慮貼片機器人的操作空間。 PCB布綫(Routing)的精細化技法: 高速信號布綫: 阻抗匹配: 走綫寬度、介質厚度、疊層設計對微帶綫、帶狀綫的阻抗控製。 等長與延遲控製: 對於時序敏感的信號(如時鍾、總綫),進行等長處理。 差分信號布綫: 緊密平行、等寬、等距、等長,避免突變。 串擾(Crosstalk)的抑製: 增大走綫間距、使用屏蔽層、降低迴流路徑重疊。 過孔(Via)的優化: 減少高密度、高速信號的過孔數量,選擇閤適的過孔類型(盲孔、埋孔)。 電源與地綫布綫: 電源分配網絡(PDN)的設計: 寬闊的電源層和地平麵,提供低阻抗的電源路徑。 去耦電容(Decoupling Capacitors)的布局: 靠近IC電源引腳,選擇閤適的容值和類型。 地彈(Ground Bounce)的控製: 保證良好的地連接,避免大電流切換産生的地電位抬升。 多層闆的地平麵(Ground Plane)策略: 完整、連續的地平麵,提供低阻抗迴流路徑。 模擬信號布綫: 模擬與數字信號的隔離: 避免模擬信號受到數字信號的乾擾。 參考地(Reference Ground)的設置: 區分模擬地和數字地,必要時進行單點連接。 RF信號布綫: 阻抗控製的嚴格性: 匹配射頻傳輸綫阻抗。 屏蔽與隔離: 避免外部乾擾和內部輻射。 布綫規則(Design Rules)的設置與管理: 綫寬、間距規則: 根據工藝能力和信號要求設置。 過孔規則: 控製過孔尺寸、間距、類型。 DRC(Design Rule Check)的意義: 自動檢查布綫是否違反預設規則,及時發現錯誤。 手動布綫與自動布綫(Autorouting)的結閤: 手動布綫的優勢: 精確控製關鍵信號,優化布綫策略。 自動布綫的適用場景: 輔助完成大部分非關鍵信號的布綫,提高效率。 自動布綫後的優化: 即使使用自動布綫,也需要人工進行檢查和優化。 PCB疊層設計(Layer Stackup): 多層闆的結構: 信號層、電源層、地層、介質層。 阻抗控製的實現: 通過介質厚度和綫寬來精確控製微帶綫和帶狀綫的阻抗。 信號完整性與電源完整性的關係: 閤理的疊層設計是SI和PI優化的基礎。 HDI(High Density Interconnect)技術: 介紹微盲孔、埋孔等技術在提高布綫密度和性能上的應用。 第四章:信號完整性(SI)分析與優化 信號完整性問題的重要性: 解釋當信號速度達到一定程度時,PCB走綫不再是理想的導綫,信號的失真、反射、串擾等將嚴重影響係統穩定性。 信號完整性的基本概念: 阻抗(Impedance): 特性阻抗、傳輸綫阻抗。 反射(Reflection): 阻抗不匹配導緻信號能量迴流。 串擾(Crosstalk): 相鄰信號綫之間的電磁耦閤。 損耗(Loss): 信號在傳輸過程中的能量衰減(介質損耗、導體損耗)。 時序(Timing): 信號到達接收端的時間,抖動(Jitter)的影響。 SI分析的工具與流程: 仿真軟件的應用: 介紹常見的SI仿真工具,如Cadence Sigrity, Ansys SIwave等。 分析模型的建立: 從原理圖和PCB布局布綫信息中提取準確的模型。 仿真實踐: 如何設置仿真參數,運行仿真,解讀仿真結果。 SI問題診斷與解決策略: 反射的診斷與抑製: 終端匹配: 端接電阻(串聯、並聯、戴維南)的應用。 阻抗控製的校正: 調整綫寬、介質厚度、層間距。 串擾的診斷與抑製: 增大間距: 增加信號綫之間的物理距離。 閤理布局: 將耦閤強度的信號綫交叉排列(90度),或將它們放置在不同層。 參考平麵(Reference Plane)的優化: 確保信號綫下方有完整的參考平麵。 損耗的分析與降低: 選擇低損耗介質材料。 優化走綫長度。 考慮錶麵處理。 時序與抖動的分析: 時鍾樹(Clock Tree)設計。 延遲匹配。 提高信噪比(SNR)。 高速接口設計中的SI考慮: 如DDR、PCIe、USB、Ethernet等,強調其特定的SI設計要求。 第五章:電源完整性(PI)分析與優化 電源完整性問題的重要性: 解釋不穩定的電源供應會給數字電路帶來誤觸發、性能下降等問題。 電源完整性的基本概念: 電源分配網絡(PDN): 為芯片提供穩定、低噪聲的直流電源。 電源噪聲(Power Noise): 由於開關電流、耦閤等産生的電源電壓波動。 去耦(Decoupling): 使用電容平滑電源噪聲。 電源抑製比(PSRR - Power Supply Rejection Ratio)。 地彈(Ground Bounce)與電源塌陷(Power Collapse)。 PI分析的工具與流程: 仿真軟件的應用: 介紹常見的PI仿真工具。 PDN阻抗的建模與分析: 穩態與動態噪聲分析。 PI問題診斷與解決策略: PDN阻抗的優化: 增加電源和地平麵的數量和麵積。 減小電源和地平麵之間的介質厚度。 使用高導電率的材料。 優化電源和地平麵之間的過孔連接。 去耦電容的設計與布局: 電容選型: ESr(等效串聯電阻)、ESL(等效串聯電感)的影響。 電容的擺放: 靠近IC電源引腳,形成短的電流迴路。 多級去耦: 不同頻率響應的電容組閤。 電源軌(Power Rail)的噪聲抑製: 綫性穩壓器(LDO)與開關穩壓器(Switching Regulator)的權衡。 濾波器的應用。 地彈與電源塌陷的預防: 減小驅動能力強的器件的同步切換。 優化地綫迴路。 低功耗設計中的PI考慮: 動態電壓和頻率調節(DVFS)帶來的PI挑戰。 第六章:電磁兼容性(EMC)設計與優化 EMC概述與法規要求: EMI(Electromagnetic Interference)與EMC(Electromagnetic Compatibility)。 國內外EMC標準與認證要求(FCC, CE等)。 EMC問題的産生機製: 輻射(Radiation): 信號綫、PCB走綫、器件等發齣的電磁波。 傳導(Conduction): 電源綫、信號綫上傳導的噪聲。 耦閤(Coupling): 電容耦閤、電感耦閤。 EMC設計原則與實踐: 源頭控製: 降低器件的輻射能力,如選用低EMI器件。 路徑控製: 優化PCB布局布綫,減小信號輻射和耦閤。 差分信號的屏蔽。 電源和地平麵作為屏蔽層。 閤理的走綫方嚮與間距。 避免長而裸露的走綫。 接收端防護: 增加濾波、接地等措施。 PCB層疊設計與EMC: 完整的接地平麵。 敏感信號層遠離PCB邊緣。 連接器的EMC設計: 屏蔽連接器,良好的接地。 電纜與綫纜的EMC設計: 屏蔽層、濾波器的使用。 EMI/EMC仿真工具的應用。 EMC測試與調試: 預兼容性測試(Pre-compliance Testing)。 現場EMC測試。 EMC問題點定位與解決。 第七章:熱管理在PCB設計中的應用 電子器件發熱的機理: 功耗轉化為熱量。 PCB散熱的重要性: 避免過熱導緻的性能下降、壽命縮短甚至損壞。 熱管理的基本策略: 提高散熱路徑的導熱能力: 銅厚與敷銅: 增加PCB銅厚,大麵積敷銅。 熱過孔(Thermal Vias): 連接上下層銅皮,增加散熱麵積。 熱傳導材料(Thermal Interface Materials - TIMs)。 增加散熱錶麵積: 散熱片(Heatsinks)。 風扇(Fans)。 強製風冷與自然對流。 PCB布局中的熱考慮: 發熱器件的布局: 遠離對溫度敏感的器件,留齣散熱空間。 氣流路徑的規劃。 PCB材料的熱性能: FR-4, 高頻闆材等。 熱仿真(Thermal Simulation)的應用。 第八章:PCB設計流程的集成與協同 從原理圖到PCB的完整轉換: 網錶導入,元件封裝對應。 設計數據的管理與版本控製: 確保團隊協作的順暢。 與其他工程領域的協同: 軟件工程: 嵌入式軟件開發與硬件功能驗證。 機械工程: PCB闆的安裝、外殼設計。 測試工程: 測試點(Test Point)的規劃,可測試性設計(DFT)。 設計評審(Design Review)的重要性: 跨部門、跨學科的評審,發現潛在問題。 第九章:PCB製造與裝配的考量 PCB製造工藝流程概述: 材料選擇。 鑽孔。 綫路製作(蝕刻)。 電鍍。 阻焊層(Solder Mask)與絲印層(Silkscreen)。 錶麵處理(Surface Finish)。 可製造性設計(DFM - Design for Manufacturability): 最小綫寬、間距與製造能力匹配。 過孔設計。 元器件間距。 對位精度。 可裝配性設計(DFA - Design for Assembly): 元器件的貼裝方嚮。 元器件的密度。 焊接的可行性。 Gerber文件與其他生産數據的生成與檢查。 PCBA(Printed Circuit Board Assembly)過程中的關鍵點: 貼片、迴流焊、清洗、檢測。 第十章:高級PCB設計主題與未來趨勢 HDI(High Density Interconnect)技術。 埋入式元器件(Embedded Components)。 柔性PCB(Flexible PCB)與剛撓結閤闆(Rigid-Flex PCB)設計。 射頻(RF)與微波PCB設計。 堆疊(Stackup)優化與層數限製。 新興材料與工藝。 人工智能(AI)在PCB設計中的應用前景: 自動優化、智能診斷。 可持續設計與環保考量。 結語 PCB設計是一個不斷學習和實踐的過程。本書提供的知識體係旨在為讀者打下堅實的基礎,並引導大傢掌握解決實際設計問題的能力。通過理論與實踐的結閤,不斷地迭代與優化,每一位工程師都能設計齣符閤時代需求的高性能、高可靠性電路闆。我們希望本書能成為您在PCB設計道路上可靠的夥伴。