51c嵌入式~电路~合集9

我自己的原文哦~  https://blog.51cto.com/whaosoft/12181786

一、电磁~EMI、EMS以及EMC的区别

EMI——攻击力

    EMI(Electro Magnetic Interference)直译是“电磁干扰”，是指电子设备(干扰源)通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。例如当我们看电视的时候，旁边有人使用电吹风或电剃须刀之类的家用电器，电视屏幕上会出现的雪花噪点；电饭锅煮不熟米饭；关闭了的空调会自行启动……这些都是常见的电磁干扰现象。

    更为严重的是，如果电磁干扰信号妨碍了正在监视病情的医疗电子设备或正在飞行的飞机，则会造成不堪设想的后果。从这些例子来看，就好像是电子设备具有无形的“攻击力”，对其他电子设备的正常运行造成了扰乱和破坏。

    电源的一二级EMI滤波电路，是为降低电源的电磁传导干扰而设计的。

    从“攻击”方式上看，EMI主要有两种类型：传导干扰和辐射干扰。电磁传导干扰是指干扰源通过导电介质(例如电线)把自身电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。

    最常见的例子是我们电脑中的电源会对家里的用电网络产生影响，在电脑开机的同时家里的电灯可能会变暗，这在使用杂牌劣质电源的电脑上表现得更为明显。而在当今电源的内部结构中，一二级EMI滤波电路是必不可少的，这里的“EMI”针对的就是电磁传导干扰，以防止电源工作时对外界产生太大的影响。

    机箱上的EMI触点，是为降低屏蔽机箱内部的电磁辐射干扰而设计的。

    电磁辐射干扰往往被我们简称为电磁辐射，它是指干扰源通过空间把自身电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络，就像是武侠小说中的“隔空打物”。由于人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此过量的电磁辐射可以对人体造成影响和损害。人们常常担忧的“辐射”也就是指这部分电磁辐射干扰。应用机箱上的种种防辐射设计，例如EMI弹片、EMI触点，这里“EMI”针对的就是电磁辐射干扰，以减小机箱内电磁波传播到外部的量。

EMS——防御力

    有矛就有盾，有电磁干扰就有抗电磁干扰。下面请出我们的第二位主角EMS。EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译是“电磁敏感度”，是指由于电子设备受到外界的电磁能量，造成自身性能下降的容易程度。例如同样受到电吹风或电剃须刀的干扰，有些电视机的屏幕上出现了雪花噪点，有些电视机却安然无恙。这表明在受到电磁干扰“攻击”的情况下，前者的电磁敏感度较高，更易受伤，也就是“防御力”较低；而后者的电磁敏感度较低，不易受伤，即“防御力”较高。

    电视画面雪花严重，受其它电子设备干扰是一大因素。

EMC——综合攻防能力

    有了矛，也有了盾，最后就用它俩一起来武装我们的第三位主角EMC。相关文章：你设计电路时，有考虑这些EMC的设计要点吗？

    EMC测试中使用电磁兼容实验室，可进行电磁辐射干扰测试。

    EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”，是指电子设备所产生的电磁能量既不对其他电子设备产生干扰，也不受其他电子设备的电磁能量干扰的能力。因此，EMC包括EMI和EMS两个方面的要求：一方面要求电子设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值，即EMI；另一方面要求电子设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰能力，即EMS。

    具体在对电子设备进行EMC测试时，相关标准规定了EMI的最大值，以及EMS的最小值，就犹如限制“攻击力”在较低水平、要求“防御力”在较高水平。这也很好理解，就像我们养一条看门狗，你不希望它主动跑出门去乱咬人，但你要求它在敌人来犯时要扛得住。

3C认证包含EMC标准

    现在大家知道了，好的电子设备应该是一个“低攻高防”的角色，既对外界产生的干扰小，又能很好地抵抗来自外界的干扰。

    那么如何选购这样的产品呢？其实国家法规已经为我们做好了准备。自1996年开始，欧共体就对其统一市场作出了规定：任何没有“CE”认证标记的电气和电子设备不得进入欧共体市场。我国政府也已作出规定，自2003年8月1日起，任何没有“CCC”(即3C)认证标志的电气和电子设备不得进入中国市场。而CE认证和3C认证均包含了对EMC的要求。因此，大家在购买电子产品时，只要看它的外壳或包装上有没有“CE”和“CCC”标志，就可以知道它是否具有符合国家规定的低干扰(包括低辐射)、高抗干扰的特性。

二、这样设计SMT焊盘,搞定高频信号传输

在高频领域，信号或电磁波必须沿着具有均匀特征阻抗的传输路径传播。一旦阻抗失配或不连续现象，一部分信号被反射回发送端，剩余部分电磁波将继续被传输到接收端。

    信号反射和衰减的程度取决于阻抗不连续的程度，相关文章:画PCB板时阻抗设计的重要性。当失配阻抗幅度增加时，更大部分的信号会被反射，接收端观察到的信号衰减或劣化也就更多。

    阻抗失配现象在交流耦合(又称隔直)电容的SMT焊盘、板到板连接器以及电缆到板连接器(如SMA)处经常会遇到。

    在如下图1所示的交流耦合电容SMT焊盘的案例中，沿着具有100Ω差分阻抗和5mil铜箔宽度的PCB走线传播的信号，在到达具有更宽铜箔(如0603封装的30mil宽)的SMT焊盘时将遇到阻抗不连续性。这种现象可以用下方公式(1)和式(2)解释。

    铜箔的横截面积或宽度的增加将增大条状电容，进而给传输通道的特征阻抗带来电容不连续性，即负的浪涌。

    为了尽量减小电容的不连续性，需要裁剪掉位于SMT焊盘正下方的参考平面区域，并在内层创建铜填充，分别如图2和图3所示。

    这样可以增加SMT焊盘与其参考平面或返回路径之间的距离，从而减小电容的不连续性。同时应插入微型缝合过孔，用于在原始参考平面和内层新参考铜箔之间提供电气和物理连接，以建立正确的信号返回路径，避免EMI辐射问题。

    但是，距离“d ”不应增加得太大，否则将使条状电感超过条状电容并引起电感不连续性。式中：

• 条状电容(单位：pF)；
• 条状电感(单位：nH)；
• 特征阻抗(单位：Ω)；
• ε=介电常数；
• 焊盘宽度；
• 焊盘长度；
• 焊盘和下方参考平面之间的距离；
• 焊盘的厚度。

    相同概念也可以应用于板到板(B2B)和电缆到板(C2B)连接器的SMT焊盘。

    下面将通过TDR和插损分析完成上述概念的验证。

    分析是通过在EMPro软件中建立SMT 焊盘3D 模型， 然后导入Keysight ADS中进行TDR和插损仿真完成的。

分析交流耦合电容的SMT焊盘效应​

    在EMPro中建立一个具有中等损耗基板的SMT的3D模型，其中一对微带差分走线长2英寸、宽5mil，采用单端模式，与其参考平面距离3.5mil，这对走线从30mil宽SMT焊盘的一端进入，并从另一端引出。

    图4和图5分别显示了仿真得到的TDR和插损图。

    参考平面没有裁剪的SMT设计造成的阻抗失配是12Ω，插损在20GHz时为-6.5dB。一旦对SMT焊盘下方的参考平面区域进行了裁剪(其中“d ”设为10mil)，失配阻抗就可以减小到2Ω，20GHz时的插损减小到-3dB。

    进一步增加“d ”会导致条状电感超过电容，从而引起电感不连续性，转而使插损变差(即-4.5dB)。

分析B2B连接器的SMT焊盘效应

    在EMPro中建立一个B2B连接器的SMT焊盘的3D模型，其中连接器引脚间距是20mil，引脚宽度是6mil，焊盘连接到一对长5英寸、宽5mil，采用单端模式的微带差分走线，走线距其参考平面3.5mil。

    SMT焊盘的厚度是40mil，包括连接器引脚和焊锡在内的这个厚度几乎是微带PCB走线厚度的40倍。

    铜厚度的增加将导致电容的不连续性和更高的信号衰减。这种现象可以分别由图6和图7所示的TDR和插损仿真图中看出来。

    通过裁剪掉SMT焊盘正下方适当间距“d ”(即7mil)的铜区域，可以最大限度地减小阻抗失配。

小结​

    本文的分析证明，裁剪掉SMT焊盘正下方的参考平面区域可以减小阻抗失配，增加传输线的带宽。

    SMT焊盘与内部参考铜箔之间的距离取决于SMT焊盘的宽度，以及包括连接器引脚和焊锡在内的SMT焊盘有效厚度。在条件允许的情况下，PCB投产之前应先进行3D建模和仿真，确保构建的传输通道具有良好的信号完整性。信号完整性相关文章推荐：信号反射问题与相关电路设计技巧。

三、盘点优秀PCB工程师的好习惯

    在有些人看来，PCB layout工程师的工作会有些枯燥无聊，每天对着板子成千上万条走线，各种各样的封装，重复着拉线的工作...

    事实上，并没有看上去的那么简单！

    设计人员需要在各种设计规则之间做出取舍，兼顾性能、工艺、成本等各方面，同时还要注意板子布局的合理整齐。

    作为一名优秀的PCB layout工程师，好的工作习惯会使你的设计更合理、性能更好、生产更容易。

    下面罗列了PCB layout工程师的7个好习惯，来看看你都占了几个吧！

学会会设计规则 

    其实现在不光高级的PCB设计软件需要设置布线规则，一些简单易用的PCB工具同样可以进行规则设置。

    人脑毕竟不是机器，那就难免会有疏忽有失误。

    所以把一些容易忽略的问题设置到规则里面，让电脑帮助我们检查，尽量避免犯一些低级错误。

    另外，完善的规则设置能更好的规范后面的工作，所谓磨刀不误砍柴工，板子的规模越复杂规则设置的重要性越突出。

尽可能地执行DRC 

    尽管在PCB软件上运行DRC功能只需花费很短时间，但在更复杂的设计环境中，只要你在设计过程中始终执行检查便可节省大量时间，这是一个值得保持的好习惯。

每个布线决定都很关键，通过执行DRC可随时提示你那些最重要的布线。

画好原理图 

    很多工程师都觉得layout工作更重要一些，原理图就是为了生成网表方便PCB做检查用的。

    其实，在后续电路调试过程中原理图的作用会更大一些，无论是查找问题还是和同事交流，还是原理图更直观更方便。

    另外养成在原理图中做标注的习惯，把各部分电路在layout的时候要注意到的问题标注在原理图上，对自己或者对别人都是一个很好的提醒。

    层次化原理图，把不同功能不同模块的电路分成不同的页，这样无论是读图还是以后重复使用都能明显的减少工作量。

优化PCB布局 

    心急的工程师画完原理图，把网表导入PCB后就迫不及待的把器件放好，开始拉线。

其实一个好的PCB布局能让你后面的拉线工作变得简单，让你的PCB工作的更好。

    每一块板子都会有一个信号路径，PCB布局也应该尽量遵循这个信号路径，让信号在板子上可以顺畅的传输，人们都不喜欢走迷宫，信号也一样。

    如果原理图是按照模块设计的，PCB也一样可以，按照不同的功能模块可以把板子划分为若干区域。

    模拟数字分开，电源信号分开，发热器件和易感器件分开，体积较大的器件不要太靠近板边，注意射频信号的屏蔽等等……

    多花一分的时间去优化PCB的布局，就能在拉线的时候节省更多的时间。

多为别人考虑 

    在进行PCB设计的时候，尽量多考虑一些最终使用者的需求。

    比如，如果设计的是一块开发板，那么在进行PCB设计的时候就要考虑放置更多的丝印信息，这样在使用的时候会更方便，不用来回的查找原理图或者找设计人员支持了。

    如果设计的是一个量产的产品，那么就要更多的考虑到生产线上会遇到的问题，同类型的器件尽量方向一致，器件间距是否合适，板子的工艺边宽度等等。

    这些问题考虑的越早，越不会影响后面的设计，也可以减少后面支持的工作量和改板的次数。

    看上去开始设计上用的时间增加了，实际上是减少了自己后续的工作量。

在板子空间允许的情况下，尽量放置更多的测试点，提高板子的可测性，这样在后续调试阶段同样能节省更多的时间，给发现问题提供更多的思路。

反复和客户沟通确认 

    作为一名优秀的PCB layout工程师，要学会和客户有效沟通。

    Layout中一些重要的问题最好和客户反复沟通确认，比如封装的确认。

特别是含有正负极的，三极管，结构连接器的位置，这些将直接影响到后期板卡的安装定位。

细节决定成败 

    PCB设计是一个细致的工作，需要的就是细心和耐心。刚开始做设计的新手经常犯的错误就是一些细节错误。

    器件管脚弄错了，器件封装用错了，管脚顺序画反了等等，有些可以通过飞线来解决，有些可能就让一块板子直接变成了废品。

    画封装的时候多检查一遍，投板之前把封装打印出来和实际器件比一下，多看一眼，多检查一遍不是强迫症，只是让这些容易犯的低级错误尽量避免。

四、嵌入式系统外设器件的类型及其选择

文章概述  

本文介绍了嵌入式系统外设器件的选择，包括存储器、时钟源、定时器、通信接口和输入/输出接口等。文章介绍了多种存储器类型及其选择考虑因素，多种时钟源的类型及其选择考虑因素。强调了定时器精度和计时范围的重要性。文章还介绍了通信接口类型、常见通信协议及其选择因素，以及主要的输入/输出接口等，并总结了选择这些外设器件时的关键考量。

嵌入式系统除了最重要的为处理器选择之外，配合的相关外设器件也是嵌入式系统的重要组成部分，包括内存、时钟（振荡器）、定时器、通信接口、输入／输出、模拟数字转换等器件，都可视系统的实际需求来进行选择。本文将为您介绍上述外设器件的类型与选择的考虑要素。

存储器的种类众多且特性不同

存储器

在嵌入式系统中，存储器是一个关键的器件，它用于存储程序代码、数据，以及系统执行所需的其他信息。除了微控制器在IC封装中内置的内存和存储空间之外，也可以增加外部存储器，且存储器的类型相当多样，每种类型的存储器都有其独特的用途。

首先，嵌入式系统中常见的闪存是一种非易失性存储器，这意味着如果系统重置或断电也不会被擦除，通常用于存储程序代码、固件和其他常驻应用数据。它具有快速读取速度，且相对较低的功耗。闪存有不同类型，包括NOR和NAND，具有不同的读写特性和应用场景。

另一种常见的存储器则是随机存取存储器（RAM），RAM是一种易失性存储器，用于临时存储程序执行所需的数据。它具有快速的读写速度，但系统重置或断电后会失去存储的数据。在嵌入式系统中，常见的RAM类型包括SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）。

EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）则是一种可擦除并且不易失去数据的存储器，这意味着如果系统重置或断电也不会被擦除，通常用于存储配置信息、校正数据和其他需要保留的非易失性数据。

另外，有些系统还可外接存储卡和嵌入式多媒体卡，包括SD卡、MicroSD卡等外部存储设备，它们通常用于扩展嵌入式系统的存储容量。

由于不同类型的存储器有不同的价格，因此成本是一个重要的考虑因素。此外存储器的读取和写入速度影响系统的性能，特别是对于需要高效率的应用，便必须选择速度较快的存储器。whaoの开发板商城测试设备

系统所需的存储器容量也应符合应用的需求，进而确保足够的空间来存放程序代码、数据和其他必要的信息。此外，不同类型的存储器有不同的功耗特性，特别是对于移动和电池供电的嵌入式系统，通常需要采用功耗较低的存储器。

嵌入式系统通常要求耐久性，有些应用需要存储器具有较长的生命周期，并能够承受多次写入和擦除。另一方面，部分嵌入式系统可能需要在单一芯片上集成多种类型的存储器，这将有助于节省空间和简化设计，一些应用也可能需要支持外部存储设备，例如存储卡，以满足扩展性需求。​

时钟源可确保同步系统中的各种操作

时钟源可确保同步系统中的各种操作

在嵌入式系统中使用的微控制器可能包含内部电阻、电容、电路振荡器（RC振荡器），或依赖某种类型的外部频率源来保持时间和周期一致。在嵌入式系统中，时钟源是一个关键的器件，用于同步系统中的各种操作，包括处理器的计算、外部设备的通信等，以下为您介绍各种不同特性的时钟源。

RC振荡器（RC oscillator）是一种只用电阻和电容构成的振荡器，其与温度相关，频率信号可能有1-5%的变化，它们确实可以满足一些较慢频率定时需求（例如低频模拟数字转换）。

晶体振荡器（Crystal Oscillator）常见于外部振荡器电路，具有精确度高、稳定性好的特性，晶体振荡器通常以百万分之一（PPM）为单位测量其变化，而不是百分比（如RC振荡器），通常用于需要高精度定时的应用，常搭配微控制器、微处理器和其他需要稳定定时的器件。

陶瓷振荡器（Ceramic Resonator）的成本较低，但精确度和稳定性可能较晶体振荡器差，陶瓷谐振器的公差在十分之一范围内，因此适用于对定时要求不苛刻的应用，以及对成本较为敏感的场合。

MEMS振荡器（Micro-Electro-Mechanical Systems Oscillator）则具备体积小、耐震动、低功耗的特性，但精度一般较晶体振荡器差，适用于尺寸有限、低功耗、耐震动的应用，如移动设备和嵌入式传感器。

振荡器模块（Oscillator Module）则整合了振荡器和相关的电路器件，提供方便的外部时钟源，可简化系统设计，常见于一些集成度高的嵌入式系统。

另一种GPS模块则是通过接收全球定位系统（GPS）信号，来提供高精度的时钟同步，常用于需要高度精确同步的应用，例如通信系统、科学仪器等。

实时时钟RTC（Real-Time Clock）则是具有低功耗的特性，能在掉电状态下保持时间计数，主要用于需要在断电时保持时间计数的应用。

在选择嵌入式系统中的时钟源时，应先考虑时钟源的精确度和稳定性，此外，成本、功耗、集成度与应用的外部环境条件（如温度、震动），都会影响时钟源的选择。

在嵌入式系统中，定时器则是一种常见的硬件模块，用于产生准确的时间基线，以执行定时和计数操作。常见的定时器（Timer）用于执行定时操作，例如产生精确的时间延迟、计算时间间隔等，常见于需要时间控制的应用，如通信协议、传感器读取等。

计数器（Counter）则用于计数外部事件的发生次数，例如脉冲计数、频率计数等，常用于需要计算事件发生频率或计数的场景中使用，如计步器、计量仪表。

在选择嵌入式系统中的定时器时，应先考虑定时器的精度，不同的计时器具有不同的精度，选择时应根据应用需求确定精度水平。另外，定时器的计时范围（定时器和计数器）也应该满足应用的时间要求。​

实现不同硬件之间数据交换的通信接口

在嵌入式系统中，通信接口是实现不同硬件模块之间数据交换的重要元器件，通常可以分成并行通信和串行通信两种类型。并行通信同时发送多位的数据，因此需要数据总线硬件，通常由多条线路组成，在允许更快的数据传输的同时，并行通信还使用所连接装置的更多I/O端口，并且需要复杂的布线配置。串行通信则通过一条电线在配对设备上一次只发送一位数据，设备通信仅使用一个I/O端口，可降低设备总体复杂度和成本。

串行通信可以进一步分为两个子组，这取决于它们是否使用频率信号来控制和同步链接设备之间的数据通信（称为同步和异步）。异步串行意味着数据可以在不需要频率信号的情况下传输。同步串行则需要所有设备之间共享频率信号来控制数据通信。虽然同步串行确实需要跨所有设备的另一个定时信号，但它确实使通信速度更快。

在传输模式上，又可分成单工、半双工和全双工，单工是从来源到目的的单向数据流，半双工则允许从配对设备双向传输数据，但在给定时间内只能传输一个方向，全双工则可允许两个设备可以同时在两个方向上传输和接收数据。

I²C总线协议

常见的通信协议包括I²C总线协议，这是一种两线串行连接，旨在允许多个端点与一个或多个控制器进行通信。I²C是一种半双工协议，允许控制器单元和许多端点发送和接收数据。该协议的速度范围为0.1至5 Mbit/s（取决于总线配置），常见于连接低速外设，例如温度传感器、EEPROM等。​

串行外设接口（SPI）协议

串行外设接口（SPI）则是一种全双工、同步串行连接，需要3线或4线连接。SPI连接需要在总线上所有参与者共享的同步频率信号，这样可以实现更高的数据率。当两个点彼此靠近时，可以达到高达60 Mbps的速度。SPI的缺点是需要更多I/O引脚和连接，常用于连接具有SPI接口的器件，如内存、传感器、显示器等。​

通用异步收发器（UART）协议

通用异步收发器（UART）则是双向异步串行连接，可设定为单工、半双工或全双工。数据速度较慢且仅充当一对一通信，有些设备可能有多个UART电路，允许多个设备进行通信，常见于连接嵌入式系统和外部设备，例如传感器、GPS模块等。

其他常见的通信协议还包括CAN（Controller Area Network）、Ethernet（以太网）、USB（Universal Serial Bus）、无线通信接口等，在设计时选择通信接口时，可依据应用所需的数据速率、传输距离、功耗、成本、集成度、实时性等，根据具体应用需求来选择适合的通信接口，例如嵌入式控制系统、传感器网络、通信设备等。

嵌入式系统中的输入／输出（I/O）接口是用来连接和控制外部设备、传感器、显示器等的关键器件。常见的I/O接口如GPIO（通用输入／输出）具有通用性，可设置为输入或输出模式，用于连接各种外部设备，是通用用途的I/O连接接口，如按钮、LED、开关等。

此外，还需要使用ADC（模拟数字转换器）来将模拟信号转换为数字信号，用于传感器数据的读取，如温度、光照等。反之，还有DAC（数字模拟转换器），用于将数字信号转换为模拟信号，用于产生模拟输出，如音频输出。

产品类型	选择建议
存储器	在选择嵌入式系统的存储器时，需首先需要依据用途来选择不同类型的存储器，其次则需要考虑成本、速度、容量、功耗、耐久性、集成度、可扩展性等因素。
时钟源	在选择嵌入式系统的时钟源时，首先应依据应用的需求，来选择时钟源的精确度和稳定性，其次再来考虑成本、功耗、集成度、应用环境的外部条件、同步需求等因素。
通信接口	在选择嵌入式系统的通信接口时，首先应该考虑应用所需的功能、要求的数据速率与所需的传输距离，以及器件的功耗、成本、集成度、实时性、耐用性、软件支持等因素。

五、PCB制作过程

各大PCB加工厂家，流程大概相似，具体会有微小差别。针不同类型的PCB线路板，加工流程也会有不同。本文仅作为科普。

PCB制作工艺过程

PCB的制作非常复杂，以四层印制板为例，其制作过程主要包括了PCB布局、芯板的制作、内层PCB布局转移、芯板打孔与检查、层压、钻孔、孔壁的铜化学沉淀、外层PCB布局转移、外层PCB蚀刻等步骤。

1、PCB布局

PCB制作第一步是整理并检查PCB布局（Layout）。PCB制作工厂收到PCB设计公司的CAD文件，由于每个CAD软件都有自己独特的文件格式，所以PCB工厂会转化为一个统一的格式——Extended Gerber RS-274X 或者 Gerber X2。然后工厂的工程师会检查PCB布局是否符合制作工艺，有没有什么缺陷等问题。

2、芯板的制作
清洗覆铜板，如果有灰尘的话可能导致最后的电路短路或者断路。

一张8层PCB板，实际上是由3张覆铜板（芯板）加2张铜膜，然后用半固化片粘连起来的。制作顺序是从最中间的芯板（4、5层线路）开始，不断地叠加在一起，然后固定。4层PCB的制作也是类似的，只不过只用了1张芯板加2张铜膜。

3、内层PCB布局转移
先要制作最中间芯板（Core）的两层线路。覆铜板清洗干净后会在表面盖上一层感光膜。这种膜遇到光会固化，在覆铜板的铜箔上形成一层保护膜。

将两层PCB布局胶片和双层覆铜板，最后插入上层的PCB布局胶片，保证上下两层PCB布局胶片层叠位置精准。

感光机用UV灯对铜箔上的感光膜进行照射，透光的胶片下，感光膜被固化，不透光的胶片下还是没有固化的感光膜。固化感光膜底下覆盖的铜箔就是需要的PCB布局线路，相当于手工PCB的激光打印机墨的作用。

然后用碱液将没有固化的感光膜清洗掉，需要的铜箔线路将会被固化的感光膜所覆盖。

然后再用强碱，比如NaOH将不需要的铜箔蚀刻掉。

将固化的感光膜撕掉，露出需要的PCB布局线路铜箔。

4、芯板打孔与检查

芯板已经制作成功。然后在芯板上打对位孔，方便接下来和其它原料对齐。芯板一旦和其它层的PCB压制在一起就无法进行修改了，所以检查非常重要。会由机器自动和PCB布局图纸进行比对，查看错误。

5、层压
这里需要一个新的原料叫做半固化片，是芯板与芯板（PCB层数>4），以及芯板与外层铜箔之间的粘合剂，同时也起到绝缘的作用。

下层的铜箔和两层半固化片已经提前通过对位孔和下层的铁板固定好位置，然后将制作好的芯板也放入对位孔中，最后依次将两层半固化片、一层铜箔和一层承压的铝板覆盖到芯板上。

将被铁板夹住的PCB板子们放置到支架上，然后送入真空热压机中进行层压。真空热压机里的高温可以融化半固化片里的环氧树脂，在压力下将芯板们和铜箔们固定在一起。

层压完成后，卸掉压制PCB的上层铁板。然后将承压的铝板拿走，铝板还起到了隔离不同PCB以及保证PCB外层铜箔光滑的责任。这时拿出来的PCB的两面都会被一层光滑的铜箔所覆盖。

6、钻孔
要将PCB里4层毫不接触的铜箔连接在一起，首先要钻出上下贯通的穿孔来打通PCB，然后把孔壁金属化来导电。

用X射线钻孔机机器对内层的芯板进行定位，机器会自动找到并且定位芯板上的孔位，然后给PCB打上定位孔，确保接下来钻孔时是从孔位的正中央穿过。

将一层铝板放在打孔机机床上，然后将PCB放在上面。为了提高效率，根据PCB的层数会将1~3个相同的PCB板叠在一起进行穿孔。最后在最上面的PCB上盖上一层铝板，上下两层的铝板是为了当钻头钻进和钻出的时候，不会撕裂PCB上的铜箔。

在之前的层压工序中，融化的环氧树脂被挤压到了PCB外面，所以需要进行切除。靠模铣床根据PCB正确的XY坐标对其外围进行切割。

7、孔壁的铜化学沉淀
由于几乎所有PCB设计都是用穿孔来进行连接的不同层的线路，一个好的连接需要25微米的铜膜在孔壁上。这种厚度的铜膜需要通过电镀来实现，但是孔壁是由不导电的环氧树脂和玻璃纤维板组成。

所以第一步就是先在孔壁上堆积一层导电物质，通过化学沉积的方式在整个PCB表面，也包括孔壁上形成1微米的铜膜。整个过程比如化学处理和清洗等都是由机器控制的。

固定PCB

清洗PCB

运送PCB

8、外层PCB布局转移
接下来会将外层的PCB布局转移到铜箔上，过程和之前的内层芯板PCB布局转移原理差不多，都是利用影印的胶片和感光膜将PCB布局转移到铜箔上，唯一的不同是将会采用正片做板。

内层PCB布局转移采用的是减成法，采用的是负片做板。PCB上被固化感光膜覆盖的为线路，清洗掉没固化的感光膜，露出的铜箔被蚀刻后，PCB布局线路被固化的感光膜保护而留下。

外层PCB布局转移采用的是正常法，采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆盖的为非线路区。清洗掉没固化的感光膜后进行电镀。有膜处无法电镀，而没有膜处，先镀上铜后镀上锡。退膜后进行碱性蚀刻，最后再退锡。线路图形因为被锡的保护而留在板上。

将PCB用夹子夹住，将铜电镀上去。之前提到，为了保证孔位有足够好的导电性，孔壁上电镀的铜膜必须要有25微米的厚度，所以整套系统将会由电脑自动控制，保证其精确性。

9、外层PCB蚀刻
接下来由一条完整的自动化流水线完成蚀刻的工序。首先将PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用强碱清洗掉被其覆盖的不需要的铜箔。再用退锡液将PCB布局铜箔上的锡镀层退除。清洗干净后4层PCB布局就完成了。

六、为什么PCB地与金属机壳用阻容连接？

电子产品接地问题是一个老生常谈的话题，本文单讲其中一小部分，主要内容是金属外壳与电路板的接地问题。我们经常会看到一些系统设计中将PCB板的地(GND)与金属外壳(EGND)之间通常使用一个高压电容C1（1~100nF/2KV）并联一个大电阻R1（1M）连接。那么为什么这么设计呢？

图 1 原理图示意

图 2 实际 PCB

 电容的作用 

从EMS（电磁抗扰度）角度出发，该电容在确保PE与大地连接的基础上，旨在降低可能存在的、以大地电位作为参考的高频干扰信号对电路产生的影响，从而达到抑制电路与干扰源之间瞬间共模电压差的目的。事实上，将GND直接连接到PE最为理想，但由于直连可能会导致操作困难或存在安全隐患，例如，经过整流桥后产生的GND无法直接连接PE，因此便设计了一条既使低频信号无法通过，却允许高频信号通过的通路。从EMI（电磁干扰）的角度来看，若存在与PE相连接的金属外壳，这条高频通道的存在亦有助于防止高频信号辐射至外部环境。

电容是通交流阻直流的。假设机壳良好连接大地，从电磁抗扰度角度，该电容能够抑制高频干扰源和电路之间的动态共模电压；从EMI角度，电容形成了高频路径，电路板内部产生的高频干扰会经电容流入机壳进入大地，避免了高频干扰形成的天线辐射。另一种情况，假设机壳没有可靠接大地（如没有地线，接地棒环境干燥），则外壳电势可能不稳定或有静电，如果电路板直接接外壳，就会打坏电路板芯片，加入电容，能把低频高压、静电等隔离起来，保护电路板。这个并联电容应该用Y电容或高压薄膜电容，容值在1nF~100nF之间。

 电阻的作用 

这个电阻可以有效防止ESD（静电释放）对电路板造成损害。若仅采用电容将电路板地与外壳地相连，电路板便构成一个浮地体系。在进行ESD测试时，或者在复杂电磁场环境下使用，电荷注入电路板后难以得到有效释放，进而会积累；当积累到一定程度，超出电路板及外壳间绝缘最薄弱点能够承受的电压值，便会引发放电现象——在极短时间内，电路板上可产生数十至数百安培的电流，这可能导致电路由于电磁脉冲而停止运行，或是破坏放电部位附近的连接元器件。若加装此阻抗件，便可逐步释出电荷并消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准，每次放电需在10秒钟内完成2千伏电压的释放，故一般建议选用1兆欧至2兆欧的电阻。若外壳带有高压静电，此高阻抗元件也能有效降低电流，从而避免电路芯片受损。

 需要注意的问题 

1、如果设备外壳良好接大地，那PCB应该也与外壳良好的单点接地，这个时候工频干扰会通过外壳接地消除，对PCB也不会产生干扰；

2、如果设备使用的场合可能存在安全问题时，那必须将设备外壳良好接地；

3、为了取得更好效果，建议是设备外壳尽量良好接地，PCB与外壳单点良好接地；当然如果外壳没有良好接地，那还不如把PCB浮地，即不与外壳连接，因为PCB与大地如果是隔离的（所谓浮地），工频干扰回路阻抗极大，反而不会对PCB产生什么干扰；；

4、在多个设备需互相连接时，应当尽量确保每个设备外壳均与大地在单点进行良好接地，同时每个设备内部PCB也应与其壳体在单点进行接地；

5、然而，若在多个设备彼此连接时，设备外壳无法实现良好接地，那么将其转为浮地状态，内部PCB无需与外壳接地反而更为适宜；

6、机壳地可能并非理想的接地选择，例如在配电网中未遵守相关安全规定，无地线存在；或者是接地棒周围土壤过于干燥，接地螺栓出现锈蚀或松动的情况。

7、环境是存在电磁干扰的，工作环境中有大功率变压器、大功率电机、电磁电炉、高压电网谐波等。

8、PCB内部是会产生高频噪声的，如高频开关管、二极管、储能电感、高频变压器等。这些干扰因素都会导致PCB的信号地和机壳的电势波动（同时含有高频低频成分），或者二者之间存在静电，所以对它们良好可靠的接地处理是必要的，也是产品安规要求的。

七、常见电子元器件的等效电路

 电子元器件的等效电路对电路分析非常有用，可以帮助理解该元器件在电路中的工作原理，可以深入了解该元器件的相关特性。

贴片电容器等效电路

    下图所示是贴片电容器的等效电路。

    从等效电路可以看出，电容器除电容外还有寄生电感L和寄生电阻R，尽管L值和R值都很小，但是在工作频率很高时电感会起作用，电感L与电容C构成一个LC串联谐振电路。

有引脚电容器等效电路

    下图所示是有引脚电容器的等效电路。

    它与贴片电容器相比，其等效电路中多了引脚分布电感，它也有高频串联谐振的特性。

有极性电解电容等效电路

    下图所示是有极性电解电容器的等效电路，这是没有考虑引脚分布参数时的等效电路。

    等效电路中，C1位电容，R1为两电极之间的漏电阻，VD1为具有单向导通特性的氧化膜。

大容量电解电容器等效电路

    电解电容器是一种低频电容器，即它主要工作在频率较低的电路中，不宜工作在频率较高的电路中，因为电解电容器的高频特性不好，容量很大的电解电容器其高频特新更差。

    下图所示是大容量电解电容器等效电路，从图中可以找到大容量电解电容器高频特性差的原因。

    从等效电路中可以看出，串连一只等效电感L0，当电解电容的容量越大时，等效电感L0也越大，高频特性越差。

普通晶闸管等效电路

    下图所示是普通晶闸管结构示意图和等效电路。

    从等效电路中可以看出，普通晶闸管相当于两只三极管进行一定方式的连接后的电路。

双向晶闸管等效电路

    下图所示是双向晶闸管结构示意图和等效电路。

    从等效电路中可以看出，双向晶闸管相当于两只普通晶闸管反向并联。

四极晶闸管等效电路

    下图所示是四极晶闸管结构示意图和等效电路。

逆导晶闸管的等效电路

    下图所示是逆导晶闸管的等效电路。

    从等效电路中可以看出，逆导晶闸管相当于在普通晶闸管上反向并联一只二极管。

BTG晶闸管等效电路

    下图所示是BTG晶闸管结构示意图和等效电路。

光控晶闸管等效电路

    下图所示是光控晶闸管结构示意图和等效电路。

电阻器的等效电路

    下图所示为电阻器的等效电路。等效电路中，R为标称电阻器，L为分布电感，C为分布电容。由于分布电感L和分布电容C均很小，所以当电阻器的工作频率不是很高时，它们的影响都可以不考虑。

    在工作频率很高的电路中，应该使用高频电阻器，它们的分布电感L和分布电容C比普通电阻器的更小。

压敏电阻器等效电路

    下图所示是压敏电阻器等效电路。等效电路中，Rn是晶界电阻，C是晶界电容，Rb是晶粒电阻。

    下图是压敏电阻器伏-安特性曲线中的3个工作区示意图，它的3个工作区包括预击穿区、击穿区和上升区。

电感器等效电路

    电感器固有电容又称为分布电容和寄生电容，它是由各种因素造成的，相当于并联在电感线圈两端的一个总的等效电容。

    下图所示是电感器等效电路，电容C为电感器的固有电容，R为线圈的直流电阻，L为电感。

    电感L与等效电容C构成一个LC并联谐振电路，这一电路将影响电感器的有效电感量的稳定性。

    当电感器工作在高频电路中时，由于频率高，容抗小，所以等效电容对电路工作影响大，为此要尽量减小电感线圈的固有电容。

    当电感器工作在低频电路中时，由于等效电容的容量很小，工作频率低时它的容抗很大，故相当于开路，所以对电路工作影响不大。

不同应用场合对电感器不同参数的要求是不同的，只有了解了这些参数的具体含义，才能正确使用这些参数。

变容二极管等效电路

    下图所示是变容二极管等效电路。

    等效电路中的C为可变结电容，它可近似看成为变容二极管的总电容，它包括结电容、外壳电容及其它分布电容。R是串联电阻，它包括PN结电阻、引线电阻及接线电阻；L是引线电感。

双向触发二极管等效电路

    下图所示是双向触发二极管结构示意图和等效电路。

石英晶振等效电路

    下图所示是石英晶振等效电路。从等效电路中可以看出，石英晶振相当于一个LC串联谐振电路。

陶瓷滤波器等效电路

    图所示是陶瓷滤波器等效电路。陶瓷滤波器由1个或多个压电振子组成，双端陶瓷滤波器等效为一个LC串联谐振电路。由LC串联谐振电路特性可知，谐振时该电路的阻抗最小，且为纯阻性。不同场合下使用的双端陶瓷滤波器的谐振频率不同。

    三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐中频变压器，故比双端陶瓷滤波器的滤波性能要更好些。

普通复合管(达林顿管)内电路

    复合管电路共有4种。复合管用两只三极管按一定方式连接起来，等效成1只三极管，下图所示是4种复合管等效电路。

    复合管极性识别绝招：2只三极管复合后的极性取决于第1只三极管的极性。

大功率复合管内电路

    下图所示是2种大功率复合管内电路。从内部电路中可以看出，它设有过电压保护电路（采用稳压二极管）。

带阻尼的行管等效电路

    下图所示是带阻尼的行管电路符号和等效电路。

    行输出级电路中需要一只阻尼二极管，在一些行输出三极管内部设置了这一阻尼二极管，在行输出管的电路符号中会表示出来。

    这种三极管内部在基级和发射极之间还接入1只25欧姆的小电阻R0。将阻尼二极管设在行输出管的内部，减小了引线电阻，有利于改善行扫描线性和减小行频干扰，基级与发射极之间接入的电阻是为了适应行输出管工作在高反向耐压的状态。

八、EMC防护中的滤波电容

为什么总是在电路里摆两个0.1uF和0.01uF的电容？

旁路和去耦

    旁路电容（Bypass Capacitor）和去耦电容（Decoupling Capacitor）这两个概念在电路中是常见的，但是真正理解起来并不容易。

    要理解这两个词汇，还得回到英文语境中去。

    Bypass在英语中有抄小路的意思，在电路中也是这个意思，如下图所示。

    couple在英语中是一对的意思，引申为配对、耦合的意思。如果系统A中的信号引起了系统B中的信号，那么就说A与B系统出现了耦合现象（Coupling），如下图所示。而Decoupling就是减弱这种耦合的意思。

电路中的旁路和去耦

如下图中，直流电源Power给芯片IC供电，在电路中并入了两个电容。相关推荐：关于旁路电容应用的讨论。

旁路

    如果Power受到了干扰，一般是频率比较高的干扰信号，可能使IC不能正常工作。在靠近Power处并联一个电容C1，因为电容对直流开路，对交流呈低阻态。频率较高的干扰信号通过C1回流到地，本来会经过IC的干扰信号通过电容抄近路流到了GND。这里的C1就是旁路电容的作用。

去耦

    由于集成电路的工作频率一般比较高，IC启动瞬间或者切换工作频率时，会在供电导线上产生较大的电流波动，这种干扰信号直接反馈到Power会使其产生波动。在靠近IC的VCC供电端口并联一个电容C2，因为电容有储能作用，可以给IC提供瞬时电流，减弱IC电流波动干扰对Power的影响。这里的C2起到了去耦电容的作用。

为什么要用两个电容

    回到本文最开始提到的问题，为什么要用0.1uF和0.01uF的两个电容？

    电容阻抗和容抗计算公式分别如下：

    容抗与频率和电容值成反比，电容越大、频率越高则容抗越小。可以简单理解为电容越大，滤波效果越好。那么有了0.1uF的电容旁路，再加一个0.01uF的电容不是浪费吗？

    实际上，对一个特定电容，当信号频率低于其自谐振频率时呈容性，当信号频率高于其自谐振频率时呈感性。当用0.1uF和0.01uF的两个电容并联时，相当于拓宽了滤波频率范围。

九、单片机中如何用二极管实现不同电压的输出？

利用二极管的单向导电性可以设计出好玩、实用的电路。

    分享本文，分析限幅电路和钳位电路，是如何用二极管来实现的。

限幅电路

    如下图所示，当在正半周期，并且VIN大于等于0.7V，二极管正向导通。此时，VOUT会被钳位在0.7V上。

    而当VIN小于0.7V时二极管是截止状态，在负半周期时相当于电流反向，二极管也是截至状态，此时VOUT=VIN，VOUT波形跟随VIN变化。

限辐电路示意图

    根据上面限辐电路的原理，可以设计如下双向限辐电路。

双向限辐电路示意图

    然而有时候0.7V电压不能满足要求，那么，怎么产生不同大小的限幅电压？

    在电路中加入偏置电压VBIAS，只有当VIN大于等于VBIAS时二极管才能导通。此时VOUT被钳位，其值是0.7V+VBIAS，如下图所示。

偏压限幅电路示意图

钳位电路

    下面是二极管结合电容实现的钳位电路。分析中不考虑二极管的导通压降，相关推荐:二极管工作原理。假设RC时间常数足够大，从而使输出波形不会失真。

钳位电路原理

    当输入Vin在负半周期为负时，电流如下图中红色箭头所示。二极管导通，电容逐渐充电至V，在此过程中Vout=0。

    当输入Vin在正半周为正时，电流如蓝色箭头所示。二极管截止，Vout等于电容上电压加上正半周电压V，此时Vout=2V。

钳位电路原理

偏压钳位电路

    跟限幅电路类似的，为了获得所需要的钳位值，要在电路中加入偏置电压，如下图所示。

偏压钳位电路

    当所加的偏压与二极管导通方向一致，钳位值会提高V1，Vout=2V+V1。

双向二极管钳位电路应用举例

    在某些电路中会利用两个二极管的钳位作用进行保护，如下图所示，假设0.7V为D1和D2的导通电压。

• Vin大于等于Vmax，D1导通，Vout会被钳位在Vmax
• Vin小于等于Vmin时，Vout被钳位在Vmin

二极管钳位保护电路

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