電子設計基本概念100問解析

1.61 什么叫做差分信號差分信號傳輸與單根信號傳輸?shù)膮^(qū)別在哪？

答：差分傳輸是一種信號傳輸的技術，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相等，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘柧褪?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1651212.html">差分信號。差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。差分信號又稱差模信號，是相對共模信號而言的。

我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個人都是同一水平。圖1 用蹺蹺板表示的差分信號 應用到電學上，這兩個蹺蹺板用一對標識為V+和V-的導線來表示。

當我們采用差分信號進行傳輸?shù)臅r候，增加了任何相關接口電路的復雜性，其好處有如下三個：

l 因為你在控制'基準'電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內'地'的一致性。信號源和信號接收器距離越遠，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復的信號值在很大程度上與'地'的精確值無關；

l 它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的 EMI 還要少；

l 在一個單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理'雙極'信號。為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點）建立一個虛地。用高于虛地的電壓來表示正極信號，低于虛地的電壓來表示負極信號。接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統(tǒng)里。而對于差分信號，不需要這樣一個虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高逼真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

1.62 什么是爬電間距？

答：沿絕緣表面測得的兩個導電零部件之間，在不同的使用情況下，由于導體周圍的絕緣材料被電極化，導致絕緣材料呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，此帶電區(qū)的半徑即為爬電間距。爬的意思，可以看做一個螞蟻從一個帶電體走到另一個帶電體的必須經過最短的路程，就是爬電距離。電氣間隙，是一個帶翅膀的螞蟻，飛的最短距離。

1.63 PCB中信號線分為哪幾類，區(qū)別在哪？

答：PCB中的信號線分為兩種，一種是微帶線，一種是帶狀線。

微帶線，是走在表面層(microstrip),附在PCB表面的帶狀走線，如圖1-43所示, 藍色部分是導體，綠色部分是PCB的絕緣電介質，上面的藍色小塊兒是微帶線（microstrip line）。由于microstrip line（微帶線）的一面裸露在空氣里面，可以向周圍形成輻射或受到周圍的輻射干擾，而另一面附在PCB的絕緣電介質上，所以它形成的電場一部分分布在空中，另一部分分布在PCB的絕緣介質中。但是microstrip line中的信號傳輸速度要比stripline（帶狀線）中的信號傳輸速度快，這是其突出的優(yōu)點。

圖1-43 微帶線示意圖

帶狀線：走在內層(stripline/double stripline),埋在PCB內部的帶狀走線，如圖1-44所示，藍色部分是導體，綠色部分是PCB的絕緣電介質，stripline是嵌在兩層導體之間的帶狀導線。因為stripline是嵌在兩層導體之間，所以它的電場分布都在兩個包它的導體（平面）之間，不會輻射出去能量，也不會受到外部的輻射干擾。但是由于它的周圍全是電介質（介電常數(shù)比1大），所以信號在stripline 中的傳輸速度比在microstrip line中慢。

圖1-44 帶狀線示意圖

1.64 什么叫做EMC？

答：EMC,是Electro Magnetic Compatibility的縮寫，翻譯過來就是電磁兼容性，是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受電磁騷擾的能力。傳感器電磁兼容性是指傳感器在電磁環(huán)境中的適應性，保持其固有性能、完成規(guī)定功能的能力。它包含兩個方面要求：一方面要求傳感器在正常運行過程中對所在環(huán)境產生電磁干擾不能超過一定限值;另一方面要求傳感器對所在環(huán)境中存在電磁干擾具有一定程度抗擾度。

1.65 形成EMC的三要素是什么？

答：EMC電磁干擾是電子產品困擾電子工程師的一大難題，為了解決電子產品設計中EMC的問題，我們必須先要弄清楚電磁干擾問題是怎么形成的。EMC問題形成的三點要素為：

Ø 電磁騷擾源；

Ø 耦合途徑或者傳播途徑；

Ø 敏感設備。

EMC三要素之間的關系如圖1-45所示。

圖1-45 EMC三要素示意圖

1.66 抑制EMC的方法有哪些？

答：在PCB設計中，抑制EMC問題呢，主要從以下幾個方面入手：屏蔽、濾波、合理接地、合理布局。但是呢隨著電子系統(tǒng)日益的集成化、綜合化的發(fā)展，采取以上幾個方面的措施往往會跟產品的成本、質量、功能要求等發(fā)生矛盾，所以我們要權衡利弊研究出最合理的措施來滿足電磁兼容性的要求。

首先電磁兼容性控制是一項系統(tǒng)工程，應該在設備和系統(tǒng)設計、研制、生產、使用與維護的各階段都充分的予以考慮和實施才可能有效?？茖W而先進的電磁兼容工程管理是有效控制技術的重要組成部分。

在控制方法，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術，如屏蔽、接地、答接、合理布線等方法以外，還可以采取回避和疏導的技術處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時這些回避和疏導技術簡單而巧妙，可以代替成本費用昂貴而質量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。他們是精明的工程師們經常采用的控制方法。  

在解決電磁干擾問題的時機上，應該由設備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補措施的被動控制方法，轉變成在設備設計初始階段就開展預測分析和設計，預先檢驗計算，并全面規(guī)劃實施細則和步驟，做到防患于未然。把電磁兼容性設計和可靠性設計，維護性、維修性設計與產品的基本功能結構設計同時進行，并行開展。電磁兼容控制技術是現(xiàn)代并行工程的組成內容之一。

磁兼容控制策略與控制技術方案可分為如下幾類：

1、傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、答接、接地、布線；

2、空間分離：地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向方向控制；  3、時間分隔：時間共用準則、雷達脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔；

4、頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調制、數(shù)字傳輸、光電轉換；

5、電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器主理、ＤＣ/ＤＣ變換。

1.67 電子設計中為什么要區(qū)分模擬地跟數(shù)字地？

答：簡單來說，數(shù)字地是數(shù)字電路部分的公共基準端，即數(shù)字電壓信號的基準端；模擬地是模擬電路部分的公共基準端，模擬信號的電壓基準端（零電位點)。

由于數(shù)字信號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒有從接入點分開，數(shù)字信號中的諧波很容易會干擾到模擬信號的波形。當模擬信號為高頻或強電信號時，也會影響到數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號，但是數(shù)字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產生的噪聲會影響模擬電路，使模擬電路的小信號指標變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。

存在問題的根本原因是，無法保證電路板上銅箔的電阻為零，在接入點將數(shù)字地和模擬地分開，就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小，關于數(shù)模分割的處理，更多的學習教程可以搜索凡億PCB進行獲取，或者到官方學習論壇“PCB聯(lián)盟網(wǎng)”進行下載學習。

1.68 PCB設計中區(qū)分模擬地與數(shù)字地的設計方法有哪些？

答：一般處理模擬地、數(shù)字地的方法有以下幾種：

Ø 直接分開，在原理圖中將數(shù)字區(qū)域的地連接為DGND，模擬區(qū)域的地連接為AGND，然后PCB中的地平面分割為數(shù)字地與模擬地，并吧間距拉大；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用磁珠連接；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用電容連接，運用電容隔直通交的原理；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用電感連接，感值從uH到幾十uH不等；

Ø 數(shù)字地與模擬地之間用零歐姆電阻連接。

總結來說，電容隔直通交，造成浮地。電容不通直流，會導致壓差和靜電積累，摸機殼會麻手。如果把電容和磁珠并聯(lián)，就是畫蛇添足，因為磁珠通直，電容將失效。串聯(lián)的話就顯得不倫不類。

電感體積大，雜散參數(shù)多，特性不穩(wěn)定，離散分布參數(shù)不好控制，體積大。電感也是陷波，LC諧振(分布電容)，對噪點有特效。

磁珠的等效電路相當于帶阻陷波器，只對某個頻點的噪聲有抑制作用，如果不能預知噪點，如何選擇型號，況且，噪點頻率也不一定固定，故磁珠不是一個好的選擇。

0歐電阻相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點比磁珠強。

總之，關鍵是模擬地和數(shù)字地要一點接地。建議，不同種類地之間用0歐電阻相連；電源引入高頻器件時用磁珠；高頻信號線耦合用小電容；電感用在大功率低頻上。

1.69 PCB常用的Silkscreen、Soldmask、Pastmask的含義是什么？

答：Silkscreen，指的是PCB設計中的絲印，包括TOP與BOOTOM面的絲印，正反面的絲印剛好是鏡像過的。絲印一般包括器件的外框絲印線、IC器件的1腳標識、位號字符、有極性器件的極性標識。 

Soldmask，指的是PCB設計中的阻焊，包括TOP與BOOTOM面的阻焊，特別注意這個是這個是反顯層，有的表示無的，無的表示有。就是PCB板上焊盤（表面貼焊盤、插件焊盤、過孔）外一層涂了綠油的地方，它是為了防止在PCB過錫爐（波峰焊）的時候，不該上錫的地方上錫，所以稱為阻焊層（綠油層），我想只要見過PCB板的都應該會看到這層綠油的。Solder層是要把PAD露出來吧，這就是我們在只顯示Solder層時看到的小圓圈或小方圈，一般比焊盤大（Solder表面意思是指阻焊層，就是用它來涂敷綠油等阻焊材料，從而防止不需要焊接的地方沾染焊錫的，這層會露出所有需要焊接的焊盤，并且開孔會比實際焊盤要大）；在生成Gerber文件時候，可以觀察Solder Layers 的實際效果。在Solder Mask Layer(有TopSolder 和BottomSolder)上畫個實矩形，那么這個矩形框內就等于開了個窗口了（不涂油，不涂油就是亮晶晶的銅了?。?solder Mask就是涂綠油，藍油，紅油，除了焊盤、過孔等不能涂(涂了不能上焊錫？)其他都要涂上阻焊劑，這個阻焊劑有綠色的藍色的紅色的。在畫cadence焊盤時， solder Mask要比regular pad 大0.15mm（6mil）。

Pastmask, 指的是PCB設計中的鋼網(wǎng)，包括TOP與BOOTOM面的鋼網(wǎng)，這個是正顯，有就有無就無。是針對表面貼（SMD）元件的，該層用來制作鋼網(wǎng)（片）﹐而鋼網(wǎng)上的孔就對應著電路板上的SMD器件的焊點。在表面貼裝（SMD）器件焊接時﹐先將鋼網(wǎng)蓋在電路板上（與實際焊盤對應）﹐然后將錫膏涂上﹐用刮片將多余的錫膏刮去﹐移除鋼網(wǎng)﹐這樣SMD器件的焊盤就加上了錫膏﹐之后將SMD器件貼附到錫膏上面去（手工或貼片機）﹐最后通過回流焊機完成SMD器件的焊接。通常鋼網(wǎng)上孔徑的大小會比電路板上實際的焊小一些﹐通過指定一個擴展規(guī)則﹐來放大或縮小錫膏防護層。對于不同焊盤的不同要求﹐也可以在錫膏防護層中設定多重規(guī)則，系統(tǒng)也提供2個錫膏防護層﹐分別是頂層錫膏防護層（Top Paste）和底層錫膏防護層（Bottom Paste）在Paste Mask layers(有TopPaste 和BottomPaste)上畫個實矩形，那么這個矩形框內就等于開了個窗口了，機器就此窗口內噴上焊錫了，其實是鋼網(wǎng)開了個窗，過波峰焊就上錫了。

1.70 我們通常所說的0402、0603、0805、1206是怎么計算的？

答：這些常規(guī)的貼片阻容感的封裝有九種，用兩種尺寸代碼來表示：一種尺寸代碼是由4位數(shù)字表示的EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)代碼，前兩位與后兩位分別表示電阻的長與寬，以英寸為單位。我們常說的0603封裝就是指英制代碼。另一種是米制代碼，也由4位數(shù)字表示，其單位為毫米。貼片電阻封裝英制和公制的關系及詳細的尺寸如圖1-46和表1-3所示,我們經常說的封裝尺寸，像0402、0603等都是指的英制尺寸。

圖1-46 常規(guī)貼片阻容感封裝尺寸示意圖

表1-3 常規(guī)貼片阻容感封裝尺寸表格