一个实际电路的原理图是怎样设计出来的？
一、 起源：一个想法的诞生与需求的明确
万事开头难，电路设计也是如此。一个原理图的出现，往往源于一个需求。这个需求可能是：
解决一个问题： 比如，我的手机没电了，我需要一个能快速充电的设备。
实现一个功能： 比如，我想做一个能控制灯光亮度的装置。
改进现有产品： 比如，现有的功放声音不够清晰，我想设计一个更好的。
学习和实验： 比如，我看到一个有趣的芯片，想用它来做一个小项目。
一旦有了初步的想法，就需要将其具体化。这时，工程师会问一堆“为什么”和“怎么样”：
这个电路需要做什么？ （功能定义）
它需要处理什么样的信号？ （模拟、数字、混合？）
它的性能指标是什么？ （速度、精度、功耗、输出功率等）
它要在什么样的环境下工作？ （温度、湿度、电磁干扰等）
成本有什么要求？ （这是现实世界非常重要的考量）
体积有什么限制？ （尤其对于便携式设备）
可靠性有多高？ （军用、医用、消费级？）
这些问题的答案，构成了电路设计的技术规格书 (Specification)，这是原理图设计的基石。
二、 概念化与选择：搭建电路的骨架
在明确了需求之后，就要开始概念化。这就像建筑师脑子里勾勒出大楼的大致轮廓。工程师会根据功能需求，选择合适的电路架构和核心组件。
电路架构的选择：
模拟电路： 放大器、滤波器、振荡器、电源管理等。
数字电路： 微控制器 (MCU)、FPGA、ASIC、逻辑门等。
混合信号电路： 结合模拟和数字功能。
电源电路： 开关电源、线性电源。
射频电路： 信号的发射和接收。
核心组件的选择：
微处理器/微控制器 (MCU/MPU)： 如果需要复杂的计算和控制，MCU是首选。选择哪种MCU取决于处理能力、外设接口、功耗和成本。
传感器： 如果需要采集物理信息，就需要选择合适的传感器（如温度传感器、压力传感器、光敏传感器等）。
执行器： 如果需要驱动电机、LED、继电器等，就需要选择合适的执行器。
放大器/运算放大器 (Opamp)： 用于信号的放大、滤波、信号调理。
存储器： RAM、ROM、Flash 等，用于存储程序和数据。
电源管理IC (PMIC)： 负责电压转换、电流限制、充电管理等。
通信接口： USB、SPI、I2C、UART、WiFi、蓝牙等，用于与其他设备通信。
被动元件： 电阻、电容、电感，这些是构成电路最基本的元素，选择时要注意其精度、容差、耐压、功率等参数。
这一阶段，工程师会查阅大量的数据手册 (Datasheet)，这些手册是电子元器件的“身份证”，详细说明了元器件的电气特性、工作范围、封装形式、引脚定义等关键信息。
三、 原理图绘制：将想法转化为图纸
有了清晰的概念和核心组件，就可以开始绘制原理图了。如今，这个过程几乎都离不开EDA (Electronic Design Automation) 软件，也就是电子设计自动化软件。常见的EDA工具有：
Altium Designer
Cadence Allegro
Eagle
KiCad (开源免费)
Protel
绘制原理图的基本步骤和注意事项：
1. 选择工作库： EDA软件都有一个庞大的元器件库，包含了各种芯片、电阻、电容等的图形符号和电气模型。工程师需要从库中选择所需要的元器件，并确保其符号能够准确地反映元器件的实际引脚功能。如果库中没有，就需要自己创建。
2. 放置元器件： 将选中的元器件放置在绘图区域。这就像在白纸上摆放好各个建筑模块。
3. 连接导线 (Net)： 使用“导线”工具连接元器件的引脚。每条导线都有一个网络名 (Net Name)。网络名非常重要，它代表了同一电位的连接点。比如，所有连接到VCC的引脚，都应该连接在名为“VCC”的网络上。
4. 使用端口和总线：
端口 (Port)： 用于将一个模块内部的信号连接到另一个模块。这有助于划分电路的功能块，使原理图更加清晰。
总线 (Bus)： 用于连接一组相关的信号，例如数据总线（D0D7）或地址总线。使用总线可以大大简化原理图的绘制，提高可读性。
5. 添加标号和注释：
元器件标号： 每个元器件都需要一个唯一的标号，例如R1、C2、U3等。这方便在文档和PCB布局中引用。
网络标号： 关键信号线最好加上清晰的网络标号，比如“CLK” (时钟信号)、“RESET” (复位信号)。
注释： 对复杂的电路部分、特殊的连接、关键参数等进行注释，解释其工作原理和设计意图。
6. 电源和地：
电源 (VCC, VDD, +5V, +3.3V 等)： 需要明确连接到各个芯片的电源引脚。
地 (GND)： 所有参考地都应该连接到GND。
去耦电容 (Decoupling Capacitor)： 在每个芯片的电源引脚附近放置去耦电容，用于滤除电源噪声，保证芯片工作的稳定性。这通常是至关重要的一步。
7. 逻辑符号和封装：
逻辑符号： 对于数字电路，逻辑门（AND, OR, NOT）等会使用标准化的逻辑符号。
封装： 原理图本身并不直接绘制元器件的物理封装，但EDA软件会在后台关联元器件的封装信息。这些信息将在PCB布局阶段使用。
8. 功能块划分： 将电路按照功能划分为不同的模块，例如“电源模块”、“信号处理模块”、“控制模块”等。每个模块可以单独绘制，然后通过端口连接起来。这使得整个原理图结构清晰，易于理解和维护。
四、 验证与审查：找出潜在的问题
原理图绘制完成后，绝不能直接交给下一步。这一阶段至关重要，目的是发现和修正错误，避免后期高昂的修改成本。
1. Electrical Rule Check (ERC)： EDA软件通常会提供ERC功能，检查电气规则，例如：
未连接的引脚： 检查是否有引脚没有连接到任何网络。
悬空的输入： 检查数字芯片的输入引脚是否被正确连接，防止意外行为。
输出到输出的连接： 检查是否有两个输出引脚直接连接。
电源和地线的连接： 检查所有电源和地线是否正确连接。
2. 人工审查： 即使有ERC，也无法替代人工审查。经验丰富的工程师会从以下几个方面进行检查：
功能正确性： 整个电路是否能实现预期的功能？
元件选择： 所选的元件参数是否满足要求？是否有更优的选择？
信号完整性： 关键信号（如高速时钟、模拟信号）的路径是否合理？是否存在潜在的噪声耦合或干扰？
电源分配： 电源和地线的布局是否合理？去耦电容的放置是否到位？
复用与接口： 芯片的引脚功能复用是否处理妥当？接口信号是否正确连接？
可制造性 (DFM Design For Manufacturing)： 虽然主要体现在PCB布局，但在原理图阶段也要考虑一些可制造性因素，比如是否有特殊的连接要求。
可测试性 (DFT Design For Testability)： 在设计中加入一些测试点，方便后续的调试和测试。
3. 仿真 (Simulation)： 对于一些关键的模拟电路或者复杂的功能，工程师会使用仿真工具（如SPICE仿真器）对原理图进行仿真，验证电路的电气特性，例如频率响应、瞬态响应、噪声等。
4. 与其他团队协作： 如果是一个复杂项目，原理图还需要与其他团队（如软件工程师、PCB布局工程师）进行沟通和确认，确保大家对电路的设计有共同的理解。
五、 定稿与导出：为下一步做好准备
当原理图通过了严格的审查和验证，并且所有问题都得到解决后，就可以定稿了。
1. 生成物料清单 (BOM Bill of Materials)： 原理图软件可以自动生成BOM，列出电路中使用的所有元器件、数量、型号、规格等信息。BOM是采购和生产的关键依据。
2. 导出PCB网表 (Netlist)： 这是原理图设计的最终输出，也是传递给PCB布局软件的“地图”。网表包含了所有元器件、它们的引脚以及它们之间的连接关系。PCB布局工程师将根据这个网表来放置元器件和绘制走线。
总结一下，设计一个实际电路的原理图，是一个从“想”到“画”，再到“验”的循环往复、精益求精的过程。它需要：
清晰的需求和规格。
扎实的模拟/数字/电源电路知识。
对元器件特性的深刻理解。
熟练使用EDA工具。
严谨的逻辑思维和问题分析能力。
与团队的良好沟通协作。
耐心和细心，因为一个小小的错误可能导致整个电路失效。
这个过程就像一位艺术家在创作，每一个元器件的选择，每一个导线的连接，都是为了最终呈现出那个完美运作的“作品”。而且，随着技术的进步和项目复杂度的增加，这个过程会越来越依赖于先进的工具和更严谨的流程。
网友意见
强答。
说一下我的理解。
之所以需要设计电路，很明显是为了实现某种需求。
比方说，我要听音乐。
那么，除了扬声器外，我们必须准备一块电路板。也就是需要设计并制作一块线路板。在这里我们只谈设计。
第一步是确定详细的需求。
举例：
1、我要求电路可以使扬声器最大功率达到10瓦特（W）；
2、我要求扬声器输出10W的功率时，放大器失真（也就是THD）不超过0.5%；
3、我要求放大器的频率至少能工作在20Hz至20KHz。
有了这三个需求后。
便可以进行设计电路架构了。
这也是最重要的一步。电路架构的设计。
就像建造房子，先浇筑框架，然后细化。
还是以音频放大器举例。
先计算当输出功率为10W时，流过扬声器的电流I=1.12A。（假设负载为8Ω；1KHz）
由于需要流过这么大的电流，在晶体管的三种基本接法中，只能选择集电极接地电路。也就是常说的发射极跟随器。
如下图：
此时电压为Vo=1.12*8=8.96V。
而CD机出来的信号有两个特点。一是有效值约2V；二是输出阻抗相对较大。（且CD机信号末尾一般有隔直流电容）
所以，需要把CD机出来的音频信号的电压放大到8.96V。
此时可以选择共基或共射电路。但由于音源输出电阻较大，而共基电路输入电阻较小。所以只能选共射电路。
如下图：
那么，电路的基本架构也就成型了。如图：
第三步是对架构进行调整。
分析第二步架构中存在哪些问题 。
比方说上面这个架构，我们分析一下他的缺点：
1、跟随器的空载电流较大（空载电流需要远大于1.12A，否则波形负半周必定会削波），造成发热严重且放大器效率低下，如果要解决这个问题必须接上非常大的热沉（散热板）；
2、输出级使用了电容，会和负载形成高通滤波器，但如果降低HPF所造成的影响，势必需要使用大容量电解电容，增加了较多成本不说，可靠性也会降低；
3、这个电路的温漂会很严重。
4、这个电路的失真会很大。
根据这四个缺点，我们进行架构的调整。
1、空载电流较大，所以必须修正为推挽跟随器电路；同时可以解决使用输出电容的问题；
2、对初级电路使用差动放大电路，改善温漂的情况；（以牺牲一个三极管为代价）
3、关于失真的问题，可以增加开环增益（使用恒流源、采用多级放大等），然后进行深度负反馈配置，可以大幅降低THD和噪声；
调整后的架构如图：
架构确定后，就是具体设计了。简单来说，就是确定架构中每一个元器件的具体参数、型号。
这一步也是相当关键的。对于本图中，我们可以先进行人为计算（估算，即把基射压降固定看做0.65V），利用欧姆定律即可。然后进行微调整。
此时我们可以说电路原理图已经基本设计完毕。接下来一般会进行仿真，一般使用LTSPICE或者Multisim10.0。
把原理图确认无误后，输入到AD、PADS等EDA软件，即可着手进行线路板LAYOUT的设计了。
有关PCB布局（LAYOUT）的设计又是相当关键的一个步骤。尤其是高频线路板或者超高速电路。在高频电路中，就算原理图设计的再好再精确，不懂布局设计的话，信号会发生很多奇怪的现象。
以上是模拟电路设计的基本思路。
对于数字IC电路，则是完全不同的所谓的HDL设计方法。也就是硬件描述语言。主流的有Verilog语言。通俗的说就是利用计算机设计线路。
毕竟大规模数字电路过于复杂，只能借助计算机。
更新一些东西。
上次写的时候对电路框架进行了简单的介绍，而关于元件的具体设计没怎么说。
本次更新写一下电路具体设计时需要注意的地方。
电路架构确定后，需要对每一个元器件进行计算，从而确定每个元件的额定参数。
举个例子：
示波器是一个很常见的仪器，被誉为电子工程师的眼睛。
示波器的最重要的配件便是探头。一般随机配备的探头都是具有10:1和1:1两种衰减比。
最大测量电压一般不超过数百伏。（典型值300Vrms，10:1衰减）
如果要测量高压信号（如一些高压脉冲），显然随机的标配探头是不能进行测试的。
而设备公司售卖的专用高压探头往往是相当昂贵的。
以T公司售卖的无源高压探头为例，价格往往为四位数。
示波器用高压无源探头其本质为频率特性较好的衰减器。（而万用表的衰减器虽然可能衰减比达到了要求，但频率特性不满足）
如果是为了省钱而要自制探头的话，我们设计了下图的电路原理图。
当信号最高电压为20KV时，示波器上的电压为20V，此时把示波器内探头衰减比调为1000:1，屏幕上可以观察到相应波形。
下面确定具体的元器件型。
R1至R10上的总压降为20000/1001*1000≈20KV；每个10M电阻的压降为2000V；
那么每个电阻功率为P=U²/R=0.4W。
那么我们选择1W（取一倍的余量）的金属膜（或碳膜）电阻便可以了吗？
结果是自制的高压探头会被炸掉。
原因是我们只考虑了电阻的额定功率，而忘记了考虑其他的参数是否满足要求。
在本例中，未考虑的参数是电阻的额定电压。
我们看下图U公司的电阻DATASHEET。
我们可以看到1W电阻额定电压只有500V，而绝缘耐受电压为1000V。所以加上2KV的电压时，电阻会被击穿，导致电阻短路，自制的高压探头自然就BOOM了。（实际情况可能会看到一些“噼啪”的小火花和爆鸣声）
而实际电路制作时，分压电阻必须加上补偿电容，大小视示波器的输入电容而定。假定示波器输入电容为30pF，那么补偿电容一般设置为30fF。（这种电容应该买不到，所以实际电路中需要串联多个电容，以形成这么小的电容）否则会因为示波器自身输入电容的缘故导致无法使用。
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