电路设计、仿真与PCB设计——从模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路到信号完整性分析

本书是北京邮电大学崔岩松教授编写的一部官方推荐用书。这套书凝聚了Altium Designer的精华。致力于打造一部可靠的电路设计工具图书。适用于高等学校作为电路与电路板设计的教材，也适合电路工程师作为工具书。本书涉及的主题
? 常用的电子电路设计与仿真工具介绍
? 电子电路SPICE仿真描述与模型创建
? 基于Altium Designer 18.0的电子电路设计与仿真
? 基于ADS 2017的射频电路设计与仿真
? 基于ModelSim 10.5的数字电路设计与仿真
? 基于Proteus VSM的控制电路设计与仿真
? 常用电子元器件特性及封装
? 印制电路板基础知识及材质、生产加工流程
? 元器件的原理图符号和PCB封装制作
? 电路原理图绘制、仿真及检查
? PCB布局布线设计规则及相关参数设置
? 电路信号完整性和电源信号完整性设计及仿真
本书的突出特点
? 介绍了电子设计自动化技术在模拟电路、数字电路、射频电路、单片机电路的应用
? 通过实际电路案例讲解各仿真工具的使用
? 详细描述原理图和PCB的设计规则和设计步骤
? 针对高速电路设计的信号完整性和电源完整性进行系统的讲解和仿真
 

 

本书系统论述了电路的原理图设计、电路仿真、印制电路板设计与信号完整性分析，涵盖了模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路等。全书主要包括三部分： 第1部分（第2~6章）介绍电路设计与仿真，在介绍了常用的电路仿真软件的基础上，详细讲解了Altium Designer模拟电路仿真、ADS射频电路仿真、ModelSim数字电路仿真、Proteus单片机电路仿真，举例说明了基本单元电路的设计与仿真方法； 第2部分（第7~9章）以Altium Designer 18.0为设计工具，介绍了电路原理图和PCB设计流程、原则、方法和注意事项； 第3部分(第10、11章)介绍了电路中的信号完整性规则及仿真方法。 本书以培养读者具备一般电路设计、仿真和PCB设计的能力为宗旨，可作为高等院校电子类专业“EDA技术”课程的教材，也可作为“电路分析”“模拟电路”“数字电路”等理论课程或相关实验课程的辅助教材，还可作为相关工程技术人员的参考用书。

崔岩松：京邮电大学电子工程学院教授，国家级电子信息实验教学中心教学团队。长期从事电子电路设计与EDA技术、多媒体通信与集成电路领域的教学和研究工作。先后开设“电路仿真与PCB设计”“模拟集成电路设计”“三维集成电路设计”等多门本科生及研究生课程。曾获国家科学技术进步奖二等奖、中国通信学会科学技术奖一等奖、中国电子学会电子信息科学技术奖一等奖、北京市教学成果二等奖、北京市科技进步奖三等奖，并获得北京市大学生电子设计竞赛优秀辅导教师、全国高等学校创新创业教育工作突出者、大学生创新创业实践教学先进工作者等荣誉称号。已获授权国家发明专利5项，出版教材3部。

目录

第1章电路设计与仿真简介

1.1绪论

1.2模拟电路设计及仿真工具

1.2.1NI Multisim

1.2.2Cadence PSpice

1.2.3Synopsys HSpice

1.2.4MATLAB/Simulink

1.2.5Altium Designer

1.3数字电路设计及仿真工具

1.3.1ModelSim

1.3.2Quartus Prime

1.3.3Vivado

1.4射频电路设计及仿真工具

1.4.1ADS

1.4.2HFSS

1.4.3CST

1.5控制电路设计及仿真工具

1.6电路板设计及仿真工具

1.6.1Altium Designer

1.6.2Allegro PCB Designer

1.6.3PADS

第一部分电路设计与仿真

第2章Spice仿真描述与模型

2.1电子电路Spice描述

2.1.1Spice模型及程序结构

2.1.2Spice程序相关命令

2.2电子元器件及Spice模型

2.2.1基本元器件

2.2.2电压和电流源

2.2.3传输线

2.2.4二极管和晶体管

2.3从用户数据中创建Spice模型

2.3.1Spice模型的建立方法

2.3.2运行Spice模型向导

第3章电子电路设计与仿真

3．1直流工作点分析

3．1．1建立新的直流工作点分析工程

3．1．2添加新的仿真库

3．1．3构建直流分析电路

3．1．4设置直流工作点分析参数

3．1．5直流工作点仿真结果分析

3．2直流扫描分析

3．2．1打开前面的设计

3．2．2设置直流扫描分析参数

3．2．3直流扫描仿真结果分析

3．3交流小信号分析

3．3．1建立新的交流小信号分析工程

3．3．2构建交流小信号分析电路

3．3．3设置交流小信号分析参数

3．3．4交流小信号仿真结果分析

3．4瞬态分析

3．4．1建立新的瞬态分析工程

3．4．2构建瞬态分析电路

3．4．3设置瞬态分析参数

3．4．4瞬态仿真结果分析

3．5参数扫描分析

3．5．1打开前面的设计

3．5．2设置参数扫描分析参数

3．5．3参数扫描结果分析

3．6傅里叶分析

3．6．1建立新的傅里叶分析工程

3．6．2构建傅里叶分析电路

3．6．3设置傅里叶分析参数

3．6．4傅里叶仿真结果分析

3．6．5修改电路参数重新执行傅里叶分析

3．7噪声分析

3．7．1建立新的噪声分析工程

3．7．2构建噪声分析电路

3．7．3设置噪声分析参数

3．7．4噪声仿真结果分析

3．8温度分析

3．8．1建立新的温度分析工程

3．8．2构建温度分析电路

3．8．3设置温度分析参数

3．8．4温度仿真结果分析

3．9蒙特卡洛分析

3．9．1建立新的蒙特卡洛分析工程

3．9．2构建蒙特卡洛分析电路

3．9．3设置蒙特卡洛分析参数

3．9．4蒙特卡洛仿真结果分析

第4章射频电路设计与仿真

4.1S参数仿真

4.1.1S参数的概念

4.1.2S参数在电路仿真中的应用

4.1.3S参数仿真面板与仿真控制器

4.1.4S参数仿真过程

4.1.5基本S参数仿真

4.1.6匹配电路设计

4.1.7参数优化

4.2谐波平衡法仿真

4.2.1谐波平衡法仿真基本原理及功能

4.2.2谐波平衡法仿真面板与仿真控制器

4.2.3谐波平衡法仿真的一般步骤

4.2.4单音信号HB仿真

4.2.5参数扫描

4.3功率分配器的设计与仿真

4.3.1功分器的基本原理

4.3.2等分型功分器

4.3.3等分型功分器设计实例

4.3.4比例型功分器设计

4.3.5Wilkinson功分器

4.3.6Wilkinson功分器设计

4.3.7电路仿真与优化

4.3.8版图仿真

4.4印刷偶极子天线的设计与仿真

4.4.1印刷偶极子天线

4.4.2偶极子天线设计

4.4.3优化仿真

第5章数字电路设计与仿真

5.1数字电路设计及仿真流程

5.1.1数字电路设计流程

5.1.2ModelSim工程仿真流程

5.2仿真激励及文件

5.2.1利用波形编辑器产生激励

5.2.2采用描述语言生成激励

5.3VHDL仿真

5.3.1VHDL文件编译

5.3.2VHDL设计优化

5.3.3VHDL设计仿真

5.4Verilog仿真

5.4.1Verilog文件编译

5.4.2Verilog设计优化

5.4.3Verilog设计仿真

5.4.4单元库

5.5针对不同器件的时序仿真

5.5.1ModelSim对Altera器件的时序仿真

5.5.2ModelSim对Xilinx器件的时序仿真

第6章控制电路设计与仿真

6．1Proteus系统仿真基础

6．2Proteus中的单片机模型

6．351系列单片机系统仿真

6．3．151系列单片机基础

6．3．2在Proteus中进行源程序设计与编译

6．3．3在Keil μVision中进行源程序设计与编译

6．3．4Proteus和Keil μVision联合调试

6．4用51单片机实现电子秒表设计实例

6．5AVR系列单片机仿真

6．5．1AVR系列单片机基础

6．5．2Proteus和IAR EWB for AVR联合开发

6．6用AVR单片机实现数字电压表设计实例

第二部分电路原理图及PCB设计

第7章印制电路板设计基础

7．1印制电路板基础知识

7．1．1印制电路板的发展

7．1．2印制电路板的分类

7．2PCB材质及生产加工流程

7．2．1常用PCB结构及特点

7．2．2PCB生产加工流程

7．2．3PCB叠层定义

7．3常用电子元器件特性及封装

7．3．1电阻元器件特性及封装

7．3．2电容元器件特性及封装

7．3．3电感元器件特性及封装

7．3．4二极管元器件特性及封装

7．3．5三极管元器件特性及封装

7．4集成电路芯片封装

7．5自定义元器件设计流程

第8章电路原理图设计

8．1原理图绘制流程

8．1．1原理图设计规划

8．1．2原理图绘制环境参数设置

8．2原理图元器件库设计

8．2．1元器件原理图符号术语

8．2．2为LM324器件创建原理图符号封装

8．2．3为XC2S300E6PQ208C器件创建原理图符号封装

8．2．4分配器件模型

8．2．5元器件主要参数功能

8．2．6使用供应商数据分配元器件参数

8．3原理图绘制及检查

8．3．1绘制原理图

8．3．2添加设计图纸

8．3．3放置原理图符号

8．3．4连接原理图符号

8．3．5检查原理图设计

8．4导出原理图至PCB

8．4．1设置导入PCB编辑器工程选项

8．4．2使用同步器将设计导入到PCB编辑器

8．4．3使用网表实现设计间数据交换

第9章印制电路板PCB设计

9.1PCB设计流程及基本使用

9.1.1PCB层标签

9.1.2PCB视图查看命令

9.1.3自动平移

9.1.4显示连接线

9.2PCB绘图对象及绘图环境参数

9.2.1电气连接线

9.2.2普通线

9.2.3焊盘

9.2.4过孔

9.2.5弧线

9.2.6字符串

9.2.7原点

9.2.8尺寸

9.2.9坐标

9.2.10填充

9.2.11固体区

9.2.12多边形覆铜

9.2.13禁止布线对象

9.2.14捕获向导

9.2.15PCB选项对话框参数设置

9.2.16栅格尺寸设置

9.2.17视图配置

9.2.18PCB坐标系统的设置

9.2.19设置选项快捷键

9.3PCB元器件封装库设计

9.3.1使用IPC Footprint Wizard创建元器件PCB封装

9.3.2使用Component Wizard创建元器件PCB封装

9.3.3使用IPC Footprints Batch Generator创建元器件PCB封装

9.3.4不规则焊盘和PCB封装的绘制

9.3.5添加3D封装描述

9.3.6检査元器件PCB封装

9.4PCB设计规则

9.4.1添加设计规则

9.4.2如何检查规则

9.4.3AD中相关规则

9.5PCB布局设计

9.5.1PCB板形状和尺寸设置

9.5.2PCB布局规则的设置

9.5.3PCB布局原则

9.5.4PCB布局中的其他操作

9.6PCB布线设计

9.6.1交互布线线宽和过孔大小设置

9.6.2交互布线线宽和过孔大小规则设置

9.6.3处理交互布线冲突

9.6.4其他交互布线选项

9.6.5交互多布线

9.6.6交互差分对布线

9.6.7交互布线长度对齐

9.6.8自动布线

9.6.9布线中泪滴的处理

9.6.10布线阻抗控制

9.6.11设计中关键布线策略

9.7PCB覆铜设计

9.8PCB设计检查

第三部分信号完整性分析与设计

第10章信号完整性设计

10.1信号完整性

10.1.1信号时序完整性

10.1.2信号波形完整性

10.1.3元器件及PCB分布参数

10.2电源分配系统及影响

10.2.1理想的电源不存在

10.2.2电源总线和电源层

10.2.3印制电路板的去耦电容配置

10.2.4信号线路及其信号回路

10.2.5电源分配方面考虑的电路板设计规则

10.3信号反射及其消除

10.3.1信号传输线定义

10.3.2信号传输线分类

10.3.3信号反射的定义

10.3.4信号反射的计算

10.3.5消除信号反射

10.3.6传输线的布线规则

10.4信号串扰及其消除

10.4.1信号串扰的产生

10.4.2信号串扰的类型

10.4.3抑制串扰的方法

10.5电磁干扰及其消除

10.5.1滤波

10.5.2磁性元器件

10.5.3器件的速度

10.6差分信号原理及设计规则

10.6.1差分线的阻抗匹配

10.6.2差分线的端接

10.6.3差分线的一些设计规则

第11章电路板仿真和输出

11．1IBIS模型原理及功能

11．1．1IBIS模型生成

11．1．2IBIS输出模型

11．1．3IBIS输入模型

11．1．4IBIS其他参数

11．1．5IBIS文件格式

11．1．6IBIS模型验证

11．2信号完整性仿真

11．2．1SI仿真操作流程

11．2．2检查原理图和PCB图之间的元器件连接

11．2．3叠层参数的设置

11．2．4信号完整性规则设置

11．2．5为元器件分配IBIS模型

11．2．6执行信号完整性分析

11．2．7观察信号完整性分析结果

11．3电源完整性仿真

11．3．1PDN分析器接口及设置

11．3．2在PCB编辑器中进行可视化渲染

11．3．3显示控制和选项

11．3．4负载下仿真

11．3．5仿真设置

11．3．6通过串联器件扩展网络

11．3．7电压调节器模型

11．3．8定位电源完整性问题

11．4生成加工PCB相关文件

11．4．1生成输出工作文件

11．4．2设置打印工作选项

11．4．3生成CAM文件

11．4．4生成料单文件

11．4．5生成光绘文件

11．4．6生成钻孔文件

11．4．7生成贴片机文件

11．4．8生成PDF格式文件

11．4．9CAM编辑器

11．4．10生成3D视图

附录

附录AAltium Designer 18．0快捷键

A．1通用环境快捷键

A．2通用编辑器快捷键

A．3SCH/SCHLIB编辑器快捷键

A．4PCB/PCBLIB编辑器快捷键

附录B设计实例原理图

附录C元器件及PCB丝印识别

前言

随着计算机技术的发展，电子设计自动化技术(EDA)获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透到社会的各个领域，有力地促进了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也变得越来越快。
电子设计自动化技术的核心是电子电路、IC或系统设计及仿真、电子系统的制造及仿真。作者在多年从事电子电路设计及开发和讲授“电路仿真与PCB设计”课程的基础上，对电子电路设计、仿真与PCB设计方面的基础知识、软件使用、设计经验等内容进行整理和总结而编写完成此书。
本书共分为11章，其中第1章为电路设计与仿真概论；  第2~6章主要介绍电路设计与仿真技术；  第7~9章主要介绍电路原理图及PCB设计；  第10、11章主要介绍PCB信号完整性设计及仿真。各章知识点如下：  
第1章，介绍电子设计自动化技术的发展及现状，并对当前应用于电子电路设计与仿真的主流软件进行介绍。
第2、3章，介绍电子电路仿真的基本工具Spice，包括Spice仿真描述语言和基本的Spice模型，并以Altium Designer 18.0为例，讲解电子电路设计及仿真过程。
第4章，介绍射频电路设计及仿真常用的工具，并以ADS 2017为例，讲解射频电路设计及其S参数仿真，并给出两个射频电路设计及仿真的实例。
第5章，介绍数字电路设计及仿真常用的工具，并以ModelSim 10.5为例，讲解数字电路的设计及其逻辑仿真和时序仿真的方法，给出与其他FPGA开发工具软件联合进行仿真的实例。
第6章，介绍单片机控制电路设计及仿真常用的工具，并以Proteus VSM为例，讲解单片机电路的设计及单片机程序仿真。
第7~9章，介绍电路原理图和PCB设计的流程，并以Altium Designer 18.0为例，讲解原理图和PCB绘制方法，以及PCB设计中的布局、布线的规则。
第10、11章，介绍信号完整性和电源完整性问题，并以Altium Designer 18.0为例，讲解信号与电源完整性的仿真方法。
附录部分给出了Altium Designer 18.0快捷键、设计实例的原理图和基本元器件识别及丝印等。
需要说明的是，本书采用的Altium Designer 18.0、ModelSim 10.5、Proteus VSM及ADS 2017软件汉化不完整，所以由其生成的部分图形存在中英文混用的情形，其中的电子元器件图形符号也是软件库自带，非我国国标符号。
在本书的编写过程中得到了大量的帮助和支持。特别感谢清华大学出版社盛东亮编辑对本书出版工作的支持。特别感谢张建、陈铁方、陈乾、王小燕等对本书的资料进行整理及校对。感谢Altium公司大中华区大学计划经理华文龙，提供了本书中Altium软件电源完整性部分的推荐和介绍。感谢何宾、冯新宇、于斌、王博等作者，他们编著的关于电子设计及仿真的相关教材为本书的撰写提供了很大的帮助。
尽管作者在编写本书的过程中倾尽心力，但是由于水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者不吝赐教。
作者
2019年6月

第5章数字电路设计与仿真

数字电路设计随着工艺的发展和设计规模的不断扩大，EDA软件在数字电路设计过程中扮演着越来越重要的角色。本章以ModelSim SE 10.5软件为例介绍数字电路的设计与仿真。通过本章的介绍，可以从整体上了解数字电路设计的流程及ModelSim的使用概况，并掌握ModelSim的基本仿真使用方法。
ModelSim是一款功能强大的仿真软件，可以对VHDL、Verilog和System Verilog、SystemC等格式的文件进行仿真。由于每种编程语言的语法和文件结构都不尽相同，ModelSim对不同类文件的仿真过程也有一些差异。
5.1数字电路设计及仿真流程
本节介绍数字电路设计的基本流程及采用ModelSim进行数字电路设计及仿真的基本流程，学习基本的数字电路设计和仿真方法。
5.1.1数字电路设计流程
数字电路设计流程包括两大类： 正向设计流程(topdown)和反向设计流程(bottomup)。正向设计流程指的是从顶层的功能设计开始，根据顶层功能的需要，细化并完成各个子功能，直至达到底层的功能模块为止。反向设计流程正好相反，设计者最先得到的是一些底层的功能模块，采用这些底层的模块搭建出一个高级的功能，按照这种方式继续直至顶层的设计。
数字电路设计的最初阶段，EDA工具软件功能并不强大，所以两种方法都被采用。随着EDA工具的功能逐渐增强，正向设计流程得到了很好的支持并逐步成为主流的IC设计方法。这种方法也符合设计者的思维过程： 当拿到一个设计项目时，设计者首先想到的是整体电路需要达到哪些性能指标，进而采用高级语言尝试设计的可行性，再经过RTL级、电路级直至物理级逐渐细化设计，最终完成整个项目。图51所示为数字电路设计的基本流程。

图51数字电路设计基本流程

设计的最开始阶段一定是设计文档的编写，这个设计说明文档主要包含了设计要实现的具体功能和期待实现的详细性能指标，包括电路整体结构、输入/输出(I/O)接口、最低工作频率、可扩展性等参数要求。完成设计说明文档后，需要用行为级描述待设计的电路。行为级描述可以采用高级语言，如C/C 等，也可以采用HDL来编写。这个阶段的描述代码并不要求可综合，只需要搭建出一个满足设计说明的行为模型即可。
行为级描述之后是RTL级描述。这一阶段一般采用VHDL或Verilog HDL来实现。对于比较大的设计，一般是在行为级描述时采用C/C 搭建模型，在RTL级描述阶段，逐一地对行为模型中的子程序进行代码转换，用HDL代码取代原有的C/C 代码，再利用仿真工具的接口，将转换成HDL代码的子程序加载到行为模型中，验证转换是否成功，并依次转换行为模型中的所有子程序，最终完成从行为级到RTL级的HDL代码描述。这样做的好处是减少了调试的工作量，一个子程序转换出现错误，只需要更改当前转换的子程序即可，避免了同时出现多个待修改子程序的杂乱局面。
RTL模型的正确与否，是通过功能验证来确定的，这一阶段也称前仿真。前仿真的最大特点就是没有加入实际电路中的延迟信息，所以，前仿真的结果与实际电路结果还是有很大差异的。不过在前仿真过程中，设计者只关心RTL模型是否能完成预期的功能，所以称为功能验证。
当RTL模型通过功能验证后，就进入逻辑综合与优化阶段。这个阶段主要是由EDA工具来完成，设计者可以给综合工具指定一些性能参数、工艺库等，使综合出来的电路符合要求。
综合生成的文件是门级网表。这个网表文件包含了综合之后的电路信息，其中还包括了延迟信息。将这些延迟信息反标注到RTL模型中，进行时序分析。主要检测的是建立时间(setup time)和保持时间(hold time)。其中建立时间的违例和保持时间较大的违例必须要修正，可以采用修正RTL模型或修改综合参数来完成。对于较小的保持时间违例，可以放到后续步骤中修正。对包含延迟信息的RTL模型进行仿真验证的过程称为时序仿真，时序仿真的结果更加逼近实际电路。
设计通过时序分析后，就可以进行版图规划与布局布线。这个阶段是把综合后的电路按一定的规则进行排布，设计者也可以添加一些参数对版图的大小和速度等性能进行约束。布局布线的结果是生成一个物理版图，再对这个版图进行仿真验证，如果不符合要求，那就需要向上查找出错点，重新布局布线或修改RTL模型。如果版图验证符合要求，这个设计就可以送到工艺生产线上，进行实际芯片的生产。
当然，上述流程只是一个基本的过程，其中很多步骤都是可以展开成很多细小的步骤，也有一些步骤(如形式验证)在这个流程中并没有体现。