Het ontwerpen van elektronische schakelingen is het proces van het plannen, testen en bouwen van schakelingen die specifieke taken uitvoeren. Het omvat het definiëren van vereisten, het kiezen van betrouwbare onderdelen, het maken van schema's, het simuleren van prestaties en het testen van het uiteindelijke ontwerp. Door zorgvuldige stappen te volgen, worden circuits veilig, efficiënt en betrouwbaar. Dit artikel bevat gedetailleerde informatie over elke fase van het ontwerpproces.
Overzicht van het ontwerp van elektronische schakelingen
Het ontwerpen van elektronische schakelingen is het proces van het plannen en bouwen van schakelingen die een specifieke taak kunnen uitvoeren. Het begint met kleine experimenten op een breadboard of door middel van computersimulaties om te controleren of het idee werkt. Daarna wordt het ontwerp getekend in een schematisch diagram dat laat zien hoe elk onderdeel met elkaar is verbonden. Het ontwerp wordt overgebracht naar een printplaat (PCB), die kan worden geproduceerd en geassembleerd tot een werkend systeem.
Dit proces combineert vaak verschillende soorten signalen. Analoge schakelingen werken met vloeiende en continue signalen, terwijl digitale schakelingen werken met signalen die tussen twee toestanden schakelen. Soms worden beide gecombineerd in hetzelfde ontwerp om het systeem completer te maken.
Het doel van het ontwerp van elektronische schakelingen is om een eindproduct te creëren dat niet alleen functioneel is, maar ook betrouwbaar en klaar voor gebruik in reële omstandigheden. Een zorgvuldig ontwerp zorgt ervoor dat het circuit goed werkt, stabiel blijft en aan de veiligheidseisen voldoet.
Vereisten voor technische specificaties
| Categorie | Voorbeeld Specificaties |
|---|---|
| Elektrisch | Ingangsspanning: 5–12 V, Stroomverbruik: <1 A, Bandbreedte: 10 MHz |
| Tijdschema | Latentie < 50 ns, Klok jitter < 2 ps |
| Milieu | Werkt -40°C tot +85°C, 90% luchtvochtigheid |
| Mechanisch | PCB-grootte: 40 × 40 mm, gewicht < 20 g |
| Naleving | Moet voldoen aan CE/FCC, EMC Klasse B |
| Kosten/Productie | Stuklijst kost <\$5, Assemblagerendement >95% |
Systeemarchitectuur en ontwerp van blokschema's
Dit blokdiagram illustreert de kernstructuur van een elektronisch systeem door het op te splitsen in onderling verbonden subsystemen. Het Power Subsystem levert stabiele energie via batterijen, DC-DC-converters en regelaars, en vormt de basis voor alle andere blokken. In het midden bevindt zich het Control Subsystem, waarin een microcontroller, FPGA of verwerker is ondergebracht die verantwoordelijk is voor het beheer van de gegevensstroom en besluitvorming.
Het analoge subsysteem verwerkt real-world signalen met behulp van sensoren, versterkers en filters, terwijl de digitale I/O communicatie met externe apparaten mogelijk maakt via standaarden zoals USB, SPI, UART, CAN en Ethernet. Een apart Clocking & Timing blok zorgt voor synchronisatie met oscillatoren, PLL's en nauwkeurige routing voor lage jitter prestaties.
Om de betrouwbaarheid te behouden, wordt de nadruk gelegd op isolatiezones, die luidruchtige digitale signalen uit de buurt van gevoelige analoge circuits houden, waardoor interferentie wordt verminderd en de stabiliteit van het systeem wordt verbeterd.
Basiscomponenten in het ontwerp van elektronische schakelingen
Weerstanden
Deze worden gebruikt om de stroom van elektrische stroom te beperken en te regelen. Door weerstand toe te voegen, zorgen ze ervoor dat gevoelige delen van een circuit niet worden beschadigd door te veel stroom.
Condensatoren
Het fungeert als een klein apparaat voor energieopslag. Ze houden een elektrische lading vast en kunnen deze snel vrijgeven wanneer dat nodig is. Dit maakt ze nuttig voor het stabiliseren van spanning, het filteren van signalen of het leveren van korte stroomuitbarstingen.
Transistors
Het dient als schakelaars en versterkers. Ze kunnen de stroom aan- of uitzetten als een gecontroleerde poort of zwakke signalen sterker maken. Transistors maken deel uit van moderne elektronica omdat ze circuits in staat stellen informatie te verwerken en te besturen.
Diodes
Leid de richting van de stroom. Ze laten elektriciteit slechts in één richting stromen en blokkeren deze de andere kant op. Dit beschermt circuits tegen tegenstromen die schade kunnen veroorzaken.
Onderzoek en selectie van componenten in het ontwerp van elektronische schakelingen
Overwegingen voor prestaties
Bij het kiezen van onderdelen voor een circuit is een van de eerste dingen die u moet controleren, de prestaties. Dit betekent dat er moet worden gekeken naar hoe het onderdeel zich in het ontwerp zal gedragen. Vereiste details zijn onder meer hoeveel ruis het toevoegt, hoe stabiel het in de loop van de tijd is, hoeveel stroom het gebruikt en hoe goed het omgaat met signalen. Deze factoren bepalen of het circuit zal werken zoals het hoort.
Pakket selectie
Het pakket van een onderdeel is de manier waarop het is gebouwd en op maat gemaakt. Het beïnvloedt hoeveel ruimte het inneemt op het bord, hoeveel warmte het aankan en hoe gemakkelijk het te plaatsen is tijdens de montage. Kleinere verpakkingen besparen ruimte, terwijl grotere gemakkelijker zijn om mee te werken en beter tegen warmte kunnen. Het kiezen van het juiste pakket helpt bij het balanceren van ruimte, warmte en gebruiksgemak.
Beschikbaarheid en toeleveringsketen
Het is niet genoeg om een onderdeel goed te laten werken; Het moet ook beschikbaar zijn wanneer dat nodig is. U moet controleren of het onderdeel bij meer dan één leverancier kan worden gekocht en of het in de toekomst nog steeds zal worden geproduceerd. Dit verkleint de kans op vertragingen of herontwerpen als het onderdeel plotseling moeilijk te vinden is.
Naleving en normen
Elektronica moet voldoen aan regels voor veiligheid en milieu. Onderdelen moeten vaak voldoen aan normen zoals RoHS, REACH of UL. Deze goedkeuringen zorgen ervoor dat het onderdeel veilig te gebruiken is, niet schadelijk is voor het milieu en in verschillende regio's kan worden verkocht. Compliance is een belangrijk onderdeel van de selectie van componenten.
Betrouwbaarheid en derating
Betrouwbaarheid betekent hoe lang en hoe goed een onderdeel bij normaal gebruik kan blijven werken. Om ervoor te zorgen dat onderdelen langer meegaan, moet u voorkomen dat u ze tot het uiterste drijft. Deze praktijk wordt derating genoemd. Door onderdelen een veilige marge te geven, neemt de kans op falen af en wordt het hele systeem betrouwbaarder.
Soorten circuitsimulaties in het ontwerp van elektronische schakelingen
| Type simulatie | Doel in circuitontwerp |
|---|---|
| DC vooringenomenheid | Bevestigt dat alle apparaten op de juiste voltage en stroompunten. Voorkomt dat transistors verzadigd raken of onbedoeld afsnijden. |
| AC Bereik | Evalueert frequentierespons, versterking en fasemarge. Basis voor versterkers, filters en stabiliteitsanalyse. |
| Van voorbijgaande aard | Analyseert het gedrag van het tijddomein, zoals schakelen, opstartreacties, stijg-/daaltijden en overschrijding. |
| Geluidsanalyse | Voorspelt de gevoeligheid van circuits voor elektrische ruis en helpt bij het optimaliseren van filterstrategieën voor toepassingen met weinig ruis. |
| Monte Carlo | Test statistische variatie in componenttoleranties (weerstanden, condensatoren, transistors) en zorgt voor robuustheid van het ontwerp in de hele productiespreiding. |
| Thermisch | Schat de warmteafvoer en identificeert potentiële hotspots, die nodig zijn voor stroomcircuits en compacte ontwerpen. |
Stroomvoorziening en signaalintegriteit in circuitontwerp
Praktijken van het Power Delivery Network (PDN)
• Steraarding: Gebruik een sterverbinding om aardlussen te minimaliseren. Dit vermindert het geluid en zorgt voor een consistent referentiepotentieel over de hele linie.
• Korte retourpaden: Zorg altijd voor directe en lage impedantie retourpaden voor stroom. Lange lussen verhogen de inductantie en injecteren ruis in gevoelige circuits.
• Ontkoppelingscondensatoren: Plaats ontkoppelingscondensatoren met een kleine waarde zo dicht mogelijk bij IC-voedingspennen. Ze fungeren als lokale energiereservoirs en onderdrukken hoogfrequente transiënten.
• Bulkcondensatoren: Voeg bulkcondensatoren toe in de buurt van stroomtoevoerpunten. Deze stabiliseren de toevoer tijdens plotselinge veranderingen in de belasting.
Overwegingen bij signaalintegriteit (SI)
• Gecontroleerde impedantieroutering: Hogesnelheidssporen moeten worden gerouteerd met een gedefinieerde impedantie (meestal 50 Ω single-ended of 100 Ω differentieel). Dit voorkomt reflecties en datafouten.
• Grondbeheer: Houd analoge en digitale aarding gescheiden om interferentie te voorkomen. Sluit ze op één punt aan om een schoon referentievlak te behouden.
• Vermindering van overspraak: Houd afstand tussen parallelle hogesnelheidslijnen aan of gebruik sporen van grondbewaking. Dit minimaliseert de koppeling en behoudt de signaalkwaliteit.
• Layer Stackup: Wijs in meerlaagse PCB's continue vlakken toe voor stroom en aarde. Dit vermindert de impedantie en helpt EMI onder controle te houden.
PCB-lay-out in circuitontwerp
Plaatsing van componenten
Plaats componenten op basis van functie en signaalstroom. Groepeer gerelateerde onderdelen en minimaliseer de spoorlengtes, vooral voor snelle of gevoelige analoge circuits. Basiscomponenten zoals oscillatoren of regelaars moeten dicht bij de IC's die ze ondersteunen worden geplaatst.
Signaal routering
Vermijd 90° spoorbuigingen om impedantiediscontinuïteiten en mogelijke EMI te verminderen. Voor differentiële paren, zoals USB of Ethernet, moet de spoorlengte op elkaar afgestemd zijn om de timingintegriteit te behouden. Scheid analoge en digitale signalen om interferentie te voorkomen.
Laag stapelen
Een uitgebalanceerde en symmetrische stapeling van lagen verbetert de maakbaarheid, vermindert kromtrekken en zorgt voor een consistente impedantie. Speciale grond- en vermogensvlakken verminderen het geluid en stabiliseren de spanningsafgifte.
Overwegingen bij hoge snelheid
Routeer hogesnelheidsseinen met gecontroleerde impedantie, behoud continue referentievlakken en vermijd stubs of onnodige via's. Houd de retourpaden kort om de inductantie te minimaliseren en de integriteit van het signaal te behouden.
Thermisch beheer
Plaats thermische via's onder elektrische apparaten om warmte te verspreiden naar de binnenste koperen vlakken of de andere kant van de printplaat. Gebruik kopergieten en warmteverspreidingstechnieken voor circuits met een hoog vermogen.
Schematisch ontwerp en ERC bij circuitontwikkeling
Schematische ontwerpstappen
• Hiërarchische bladen: Splits het ontwerp op in logische secties, zoals stroom-, analoge en digitale subsystemen. Dit houdt complexe circuits georganiseerd en maakt toekomstige foutopsporing of updates eenvoudiger.
• Zinvolle netnaamgeving: Gebruik beschrijvende netnamen in plaats van algemene labels. Duidelijke naamgeving voorkomt verwarring en versnelt het oplossen van problemen.
• Ontwerpkenmerken: Neem spanningswaarden, stroomvereisten en tolerantie-informatie rechtstreeks op in het schema. Dit helpt bij de beoordeling en zorgt ervoor dat componenten met de juiste specificaties worden geselecteerd.
• Footprint-synchronisatie: Koppel componenten vroeg in het proces aan hun juiste PCB-footprints. Het opsporen van mismatches voorkomt nu vertragingen en kostbaar nawerk tijdens de PCB-lay-out.
• Voorlopige stuklijst (BOM): Genereer een conceptstuklijst op basis van het schema. Dit helpt bij het inschatten van kosten, het controleren van de beschikbaarheid van onderdelen en het begeleiden van de inkoopplanning voordat het ontwerp wordt afgerond.
Hygiëne van elektrische regelcontrole (ERC)
• Detecteert zwevende pennen die ongedefinieerd gedrag kunnen veroorzaken.
• Vlaggen verkorte netten die kunnen leiden tot functionele storingen.
• Zorgt ervoor dat stroom- en massaverbindingen consistent zijn in het hele ontwerp.
Circuittest en validatie
• Voeg testpunten toe op belangrijke signalen en stroomrails, zodat metingen gemakkelijk kunnen worden uitgevoerd tijdens foutopsporing en productietests.
• Zorg voor programmeer- en foutopsporingsheaders zoals JTAG, SWD of UART om firmware te laden, signalen te controleren en tijdens de ontwikkeling met het systeem te communiceren.
• Gebruik stroombegrensde voedingen wanneer u de printplaat voor de eerste keer van stroom voorziet. Dit beschermt componenten tegen beschadiging als er kortsluitingen of ontwerpfouten zijn.
• Schakel elk subsysteem afzonderlijk in en valideer het voordat u het hele systeem samen uitvoert. Dit maakt het gemakkelijker om problemen te isoleren en op te lossen.
• Vergelijk alle gemeten resultaten met de originele ontwerpspecificaties. Controleer thermische limieten, timingprestaties en energie-efficiëntie om er zeker van te zijn dat het circuit werkt zoals bedoeld.
• Bewaar gedetailleerde aantekeningen en testresultaten. Deze documentatie helpt bij toekomstige revisies, probleemoplossing en overdracht aan productieteams.
Conclusie
Het ontwerp van elektronische schakelingen combineert planning, simulatie en testen om betrouwbare systemen te creëren. Van het instellen van specificaties tot de lay-out en validatie van PCB's, elke stap zorgt ervoor dat circuits werken zoals bedoeld onder reële omstandigheden. Door een goed ontwerp en goede normen toe te passen, kunt u veilige, efficiënte en duurzame elektronische oplossingen ontwikkelen.
Veelgestelde Vragen/FAQ
1e vraag. Welke software wordt gebruikt voor het ontwerpen van elektronische schakelingen?
Altium Designer, KiCad, Eagle en OrCAD zijn gebruikelijk voor schema's en PCB-lay-out. LTspice, Multisim en PSpice worden vaak gebruikt voor simulaties.
Vraag 2. Welke invloed heeft aarding op een circuit?
Een goede aarding vermindert ruis en interferentie. Grondvlakken, steraarding en het scheiden van analoge en digitale aarding verbeteren de stabiliteit.
Vraag 3. Waarom is thermisch beheer nodig in circuits?
Overtollige warmte verkort de levensduur van componenten en vermindert de prestaties. Koellichamen, thermische via's, kopergieten en luchtstroom helpen de temperatuur onder controle te houden.
4e kwartaal. Welke bestanden zijn nodig om een printplaat te maken?
Gerber-bestanden, boorbestanden, een Bill of Materials (BOM) en assemblagetekeningen zijn nodig voor een nauwkeurige fabricage en assemblage van PCB's.
Vraag 5. Hoe wordt de signaalintegriteit getest?
Oscilloscopen, tijddomeinreflectometrie (TDR) en netwerkanalysatoren controleren impedantie, overspraak en vervorming.
Vraag 6. Wat is design for manufacturability (DFM)?
DFM betekent het maken van circuits die gemakkelijk te produceren zijn door gebruik te maken van standaard footprints, PCB-limieten te volgen en de assemblage te vereenvoudigen.