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（第2版）

? 内容全面：系统全面介绍了模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路中常用EDA仿真工具及使用方法，电路原理图设计、PCB布局布线及信号与电源完整性仿真等。
? 实用性强：详细讲授Altium Designer、Advanced Design System、ModelSim、Proteus等EDA软件最新版本进行电子电路和PCB设计及仿真的使用方法。
? 资源丰富：本书讲解内容配备了相应的教学课件和工程文件，方便读者对相关内容深入学习和实操练习。
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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。全书包括三部分:第一部分(第1~6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;第二部分(第7~9章)以 AltiumDesigner为设计工具,介绍了电路原理
图和PCB设计流程、原则、方法及注意事项;第三部分(第10章和第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：北京邮电大学电子工程学院教授，博士生导师，长期从事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，“电路仿真与PCB设计”课程获评北京高校优质本科课程、北京高校优质本科教学课件。指导本科生获得全国大学生电子设计竞赛全国一等奖、全国电赛Intel杯嵌入式邀请赛全国一等奖、全国电赛瑞萨杯信息科技前沿专题邀请赛全国一等奖、蓝桥杯电子赛EDA设计与开发赛区全国总决赛第一名、全国大学生集成电路创新创业大赛NI杯等。获国家科学技术进步奖二等奖、国家一流本科课程、北京市高等教育教学成果奖二等奖、首届北京高校优秀大学生学科竞赛指导教师、全国大学生电子设计竞赛30周年突出贡献奖(个人)、全国高等学校创新创业教育工作突出者、蓝桥杯百佳指导教师电子赛首名等国家级及省部级奖励30余项。

第一部分电路设计与仿真

 

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

 

1.2.4华大九天Empyrean

 

1.3数字电路设计及仿真工具

 

1.3.1ModelSim

 

1.3.2Quartus Prime

 

1.3.3Vivado

 

1.3.4Robei EDA

 

1.4射频电路设计及仿真工具

 

1.4.1ADS

 

1.4.2HFSS

 

1.4.3CST

 

1.4.4中望电磁仿真

 

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

 

1.6.4嘉立创EDA

 

1.6.5KiCad EDA

 

 

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瞬态分析

 

3.3.1建立新的瞬态分析工程

 

3.3.2构建瞬态分析电路

 

3.3.3设置瞬态分析参数

 

3.3.4瞬态仿真结果分析

 

3.4傅里叶分析

 

3.4.1建立新的傅里叶分析工程

 

3.4.2构建傅里叶分析电路

 

3.4.3设置傅里叶分析参数

 

3.4.4傅里叶仿真结果分析

 

3.4.5修改电路参数重新执行傅里叶分析

 

3.5交流小信号分析

 

3.5.1建立新的交流小信号分析工程

 

3.5.2构建交流小信号分析电路

 

3.5.3设置交流小信号分析参数

 

3.5.4交流小信号仿真结果分析

 

3.6噪声分析

 

3.6.1建立新的噪声分析工程

 

3.6.2构建噪声分析电路

 

3.6.3设置噪声分析参数

 

3.6.4噪声仿真结果分析

 

3.7参数扫描分析

 

3.7.1打开前面的设计

 

3.7.2设置参数扫描分析参数

 

3.7.3参数扫描结果分析

 

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功率分配器的基本原理

 

4.3.2等分型功率分配器

 

4.3.3等分型功率分配器设计实例

 

4.3.4比例型功率分配器设计

 

4.3.5Wilkinson功率分配器

 

4.3.6Wilkinson功率分配器设计实例

 

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

 

8.3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填充

 

9.2.10固体区

 

9.2.11多边形覆铜

 

9.2.12禁止布线对象

 

9.2.13捕获向导

 

9.2.14PCB选项对话框参数设置

 

9.2.15栅格尺寸设置

 

9.2.16视图配置

 

9.2.17PCB坐标系统的设置

 

9.2.18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Footprint 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软件中相关规则

 

9.5PCB布局设计

 

9.5.1PCB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AAltium Designer 23.0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

 

 

第2版
本书第1版自2019年出版以来，先后5次印刷。作为
“电子信息科学与技术丛书”中的一本，本书既便于读者学习并掌握电路设计、仿真分析及PCB设计制造的能力，也有助于电子信息类相关课程和实验环节的教师授课使用。

随着信息技术和人工智能技术的快速发展，电子设计自动化技术和相关软件快速发展，同时国内的电子设计自动化技术得到了大力发展。本书采用最新EDA软件版本进行讲解，主要修订如下： 

第1章在介绍电子设计自动化技术发展及现状基础上，增加了优秀国内电子设计自动化技术软件的介绍。

第2章和第3章以Altium Designer 23.0软件为例，更新了模拟电子电路设计及仿真技术。

第4章以ADS 2023软件为例，更新射频电子电路设计及仿真技术。

第5章以ModelSim 2020.4、Quartus Prime Lite 22.1、Vivado 2022.2软件为例，更新数字电路设计及仿真技术。

第6章以Proteus 8.15软件为例，更新单片机设计及程序仿真技术。

第7~9章以Altium Designer 23.0软件为例，更新了电路原理图设计、PCB布局和布线及绘制方法。

第10章和第11章以Altium Designer 23.0软件为例，更新了PCB设计中信号完整性和电源完整性设计及仿真技术。

特别说明： 因书中有些电路图是软件自动生成的，故电路图中元器件符号保持与软件一致。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

 

作者
2023年11月

 

 

 

 

 

第1版前言

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后编写完成此书。

本书分三部分共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章和第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章和第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章和第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全力，但是由于水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

作者
2019年6月

 

 

 

 

邓中亮  北京邮电大学教授，

《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》（第2版）是作者在多年从事电路设计和课程讲授基础上凝练而成的著作。书中对电路设计、仿真与PCB设计方面的基础知识、软件操作与设计经验进行了充分的论述，并给出了大量实例分析。全书内容翔实，图文并茂，无论是初学者还是经验丰富的工程师都会从书中受益。

谢凤英  北京航空航天大学教授

《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》（第2版）是一本电子设计自动化技术的工程实践著作。本书是对电子与电气类专业具有普适性的基础应用图书，涵盖多种电子设计自动化工具的功能讲解，描述电路设计与仿真各个方面的知识，非常值得阅读。

马熙飞  Altium公司原大学计划经理

Altium Designer是全球智能系统设计自动化、电子产品设计解决方案的优秀平台，该平台致力于打破技术创新的障碍，让工程师可以最大限度地利用最新设备和技术设计新一代电子产品。《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》（第2版）全方位地介绍了Altium Designer在电路设计与仿真中的基本方法与使用技巧，并结合大量的案例讲解如何进行电子电路仿真、元器件库符号制作、原理图绘制、电路板布局布线、信号完整性和电源完整性仿真等，是一本难得的佳作！

孟松  Keysight EDA原中国区总经理                                                                               

射频电路中存在的分布参数提高了电路设计难度，准确高效的仿真是射频电路设计的关键技术。《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》（第2版）采用ADS软件详细描述了射频电路的S参数仿真和谐波平衡法仿真方法，并以功率分配器、印刷偶极子天线为例详述了射频电路的仿真与优化。广大高校的师生或者企业一线的设计师都可以从书中发现值得参考的内容。