PCB設(shè)計(jì)技術(shù) 課件 4 助聽器電路

PCB設(shè)計(jì)技術(shù)課程項(xiàng)目3:助聽器電路PCBDesign深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院曾啟明條入葉貫，融會(huì)貫通條入葉貫一詞出自漢代王充的《論衡》：“通人知士，雖博覽古今，窺涉百家，條入葉貫，不知審知”，比喻對(duì)知識(shí)深入精微，融會(huì)貫通。本章將會(huì)使用前面兩章的設(shè)計(jì)好的元件。助聽器的應(yīng)用助聽器是一種能夠?qū)⒙曇粜盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和放大的電子裝置，可以幫助聽力障礙者改善聽覺。早期的助聽器采用晶體管設(shè)計(jì)，隨著耗電更低，穩(wěn)定性更高的集成電路出現(xiàn)，基于集成電路的助聽器迅速地取代了晶體管助聽器。電路結(jié)構(gòu)與原理助聽器電路的結(jié)構(gòu)助聽器電路采用電阻電容、三極管等分立元件，組成兩級(jí)放大電路，將麥克風(fēng)所采集數(shù)米范圍內(nèi)的聲音放大，輸出至3.5mm直徑的通用耳機(jī)接口。01.電路結(jié)構(gòu)與原理三極管放大電路電源駐極體麥克風(fēng)3.5mm耳機(jī)接口功率放大電路的連接01.電路結(jié)構(gòu)與原理輸入放大輸出電源部分邏輯封裝設(shè)計(jì)2.1麥克風(fēng)的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)駐極體麥克風(fēng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無線話筒及聲控等電路。麥克風(fēng)包含兩個(gè)引腳，其中與外殼連接一端為接地端。麥克風(fēng)屬于極性元件，在邏輯封裝設(shè)計(jì)時(shí)，引腳的序號(hào)遵守“1正2負(fù)”規(guī)則實(shí)物圖邏輯封裝1邏輯封裝2接地端1212122.2三極管的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)三極管是一種電流控制的半導(dǎo)體器件，其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)。封裝形式上，三極管包含發(fā)射極（Emitter,E）、基極(Base,B)和集電極（Collector,C）三端，根據(jù)工作電壓的極性，三極管分為NPN型和PNP型PNP型三極管NPN型三極管核對(duì)邏輯封裝的引腳排序02.邏輯封裝設(shè)計(jì)三極管屬于常用元件，其邏輯封裝可以在PCB設(shè)計(jì)軟件自帶的封裝庫中找到。為了確保與后期物理封裝設(shè)計(jì)的一致性，調(diào)用的邏輯封裝需要核對(duì)其引腳序號(hào)，確保與廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)相符合。為了方便后期封裝的核對(duì)，引腳的序號(hào)不能隱藏。2.3開關(guān)的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)開關(guān)是一種控制電路通斷的電子元件，本項(xiàng)目使用撥動(dòng)開關(guān)。與第2章按鍵控制LED電路的輕觸按鍵不同，撥動(dòng)開關(guān)帶有自鎖功能，能夠鎖定當(dāng)前通斷狀態(tài)。(a)邏輯封裝(b)實(shí)物圖(c)電路連接2.4耳機(jī)連接座的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)耳機(jī)連接座是一種用于連接耳機(jī)音頻接頭和PCB電路的電子元件，最常見的類型是3.5mm口徑的耳機(jī)連接座。3.5mm是指音頻接頭的直徑，為了能夠讓接頭能夠順利接入，連接座的口徑一般等于3.6mm02.邏輯封裝設(shè)計(jì)本項(xiàng)目采用的耳機(jī)連接座型號(hào)為PJ-307，是一種帶有5個(gè)引腳的立體聲連接座。圖(b)所示為耳機(jī)連接座的電路連接，1號(hào)引腳是接地端，2、3號(hào)引腳，4、5號(hào)引腳分別為兩個(gè)聲道的接觸端，每個(gè)聲道帶有插入檢測(cè)功能。(a)實(shí)物圖(b)電路連接(c)邏輯封裝2.5柵格的進(jìn)階使用02.邏輯封裝設(shè)計(jì)格點(diǎn)線條形狀脫離格點(diǎn)原理圖繪制3.1元件復(fù)用03.原理圖繪制功率放大電路原理圖助聽器電路原理圖按鍵控制LED電路原理圖3.2元件的物理封裝屬性修改03.原理圖繪制元件在原項(xiàng)目已經(jīng)寫入了物理封裝信息，因此在新項(xiàng)目的原理圖設(shè)計(jì)過程中，必須逐一核對(duì)這些元件的物理封裝信息，并根據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目的要求進(jìn)行調(diào)整。例如，電解電容的物理封裝需要根據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目的容值、耐壓等要求，確定正確的物理封裝。助聽器電路原理圖03.原理圖繪制物理封裝設(shè)計(jì)4.1物理封裝庫的管理04.物理封裝設(shè)計(jì)隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增加，PCB工程師積累的元件封裝會(huì)越來越多，逐漸構(gòu)成一個(gè)專屬的“封裝庫”。一種常見的管理方式是將所有元件的物理封裝逐漸累加到同一個(gè)庫。所有的PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目，均從單一物理封裝庫中調(diào)取元件。單一物理封裝庫方式的優(yōu)點(diǎn)是便于管理，但存在隱患物理封裝庫元件1元件2元件3元件n-1元件nPCB1PCB2PCB3元件n-1元件3元件1不同的PCB調(diào)用一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑锢矸庋b庫的管理建議04.物理封裝設(shè)計(jì)積累封裝庫元件1元件2元件3元件n-1元件nPCB1PCB2元件1元件3項(xiàng)目封裝庫1元件1元件3項(xiàng)目封裝庫2復(fù)制調(diào)用建立一個(gè)“積累封裝庫”，整理項(xiàng)目實(shí)踐中遇到的所有元件物理封裝，規(guī)范命名，存放于庫中；針對(duì)每一個(gè)具體的PCB項(xiàng)目，建立對(duì)應(yīng)的“項(xiàng)目封裝庫”，從“積累封裝庫”復(fù)制所需要的元件封裝至當(dāng)前項(xiàng)目封裝庫，并在復(fù)制過程中確認(rèn)封裝參數(shù)的正確性4.2麥克風(fēng)的物理封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)負(fù)極負(fù)極駐極體麥克風(fēng)的物理封裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)03.原理圖繪制(0,0)坐標(biāo)(1.27,-2)坐標(biāo)(-1.27,-2)9.4mm矩形焊盤表示正極122引腳的直徑為0.5mm，圓形焊盤的內(nèi)徑可設(shè)置為0.9mm左右以元件投影中心為原點(diǎn)，根據(jù)兩個(gè)引腳的位置，1號(hào)焊盤（正極）和2號(hào)焊盤的位置坐標(biāo)為（-1.27,-2）和（1.27,-2）1號(hào)焊盤是正極，除了使用“+”絲印表示正極，也可以使用矩形焊盤來標(biāo)示。4.3三極管的物理封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)三極管具有三個(gè)引腳，定義分別為基極B、集電極C、發(fā)射極E，在設(shè)計(jì)物理封裝時(shí)，三個(gè)引腳焊盤的順序必須和封裝嚴(yán)格一致。三極管常見的封裝形式有直插TO-92（TransistorOutline）和貼片SOT-23（SmallOutlineTransistor）兩種11TO-92封裝04.物理封裝設(shè)計(jì)SOT-23是一種典型的貼片型晶體管封裝形式，相比TO-92封裝形式，其體積更小廣泛應(yīng)用于高元件密度的電路SOT-23：微型晶體管封裝2.404.物理封裝設(shè)計(jì)TO-92封裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)針腳的直徑為“0.46±0.1”，圖紙中給出了建議的焊盤內(nèi)徑為0.6mm；引腳間距為1.27mm。正常情況下，焊盤的間距必須嚴(yán)格等于引腳的間距，不能改動(dòng)。然而這里建議的焊盤間距為2.0mm，增大了焊盤之間的間距，這是為了防止焊接過程中，焊盤間距較小導(dǎo)致的短路問題；焊盤的外形采用了“槽型”，也就是長(zhǎng)條型，主要目的是防止焊盤之間的距離過小，違反最小的安全間距；封裝的絲印外形為一非規(guī)則半圓形。4.4撥動(dòng)開關(guān)的物理封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)電路采用型號(hào)為SS-12D00的1P2T（單刀雙擲）撥動(dòng)開關(guān)內(nèi)徑≈0.8mm坐標(biāo)(-2.5,0)8.5mm123(0,0)2.53.7mm4.5PJ-307耳機(jī)連接座的封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)電路采用型號(hào)為PJ-307的立體聲耳機(jī)連接座實(shí)物圖內(nèi)部電路耳機(jī)連接座一共包含5個(gè)引腳，其中1號(hào)引腳是接地端，2、3號(hào)引腳為一聲道，4、5號(hào)引腳為另一聲道。該耳機(jī)連接座具有插入檢測(cè)功能，耳機(jī)頭插入后，2、3號(hào)引腳、4、5號(hào)引腳將會(huì)從短路變?yōu)殚_路狀態(tài)，可以通過單片機(jī)的I/O口進(jìn)行檢測(cè)。04.物理封裝設(shè)計(jì)PJ-307耳機(jī)連接座的封裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)Unit:mm(0,0)圓形非金屬孔1.50.8(0,-5)(-2.5,-5)以元件中心為原點(diǎn)是比較合適的方案，1號(hào)焊盤更接近元件的中心位置。以1號(hào)焊盤的中心為原點(diǎn)，可以計(jì)算其他焊盤的位置坐標(biāo)：13網(wǎng)表處理05.網(wǎng)表處理復(fù)用元件的物理封裝信息核對(duì)05.網(wǎng)表處理1234電路的最高工作電壓是3.3V。兩個(gè)電解電容的電容值分別為1μF和100μF，與第2章功率放大電路的10μF和220μF不相同，因此需要按照元件的選型規(guī)格書重新確定元件尺寸。PCB布局6.1圓角板框設(shè)計(jì)06.PCB布局呈直角的PCB板框容易造成板體的劃傷，同時(shí)扎傷人，在PCB制造中，當(dāng)客戶沒有特殊要求時(shí),PCB板框的直角一般會(huì)建議做成圓角的形式，設(shè)計(jì)軟件對(duì)板框的轉(zhuǎn)角進(jìn)行圓角處理的過程，稱為“倒角”直角直角圓角(a)按鍵控制LED電路(b)功率放大電路(c)助聽器電路6.2PCB的開槽（挖洞）06.PCB布局圓形開槽開槽是指在閉合PCB板框內(nèi)部挖空一定形狀的區(qū)域。開槽的原因一般有兩個(gè)：一是結(jié)構(gòu)需要，配合外殼裝配需要等在特定位置挖空PCB；二是電氣隔離需要。助聽器電路PCB的左下角設(shè)計(jì)了一個(gè)圓形的開槽。6.3元件對(duì)齊06.PCB布局左對(duì)齊居中對(duì)齊右對(duì)齊頂端對(duì)齊垂直居中底部對(duì)齊元件對(duì)齊是PCB設(shè)計(jì)軟件提供的一項(xiàng)功能，能夠有效提高布局的效率和質(zhì)量。元件對(duì)齊方式有左對(duì)齊、右對(duì)齊、頂部對(duì)齊、底部對(duì)齊、居中對(duì)齊和垂直對(duì)齊6種。在保證PCB性能的前提下，使得元件整齊有序，是一個(gè)優(yōu)秀PCB工程師追求的目標(biāo)。元件無法自動(dòng)對(duì)齊的原因06.PCB布局在具體應(yīng)用時(shí)，一些新手在應(yīng)用自動(dòng)對(duì)齊工具時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不能對(duì)齊的情況。這種情況并非軟件問題，是由于元件物理封裝設(shè)計(jì)時(shí)參考原點(diǎn)的設(shè)置不統(tǒng)一造成的PCB布線7.1安全間距07.PCB布線安全間距是PCB的基本規(guī)則，分為電氣安全間距和非電氣安全間距兩類線與線≥4mil線與過孔≥4mil線與焊盤≥4mil過孔與過孔≥4mil導(dǎo)線間距由制造設(shè)備的蝕刻精度決定，按照目前主流的制造能力，導(dǎo)線間距要求大于4mil1.導(dǎo)線間距2.焊盤與焊盤的間距07.PCB布線焊盤與焊盤的間距由制造設(shè)備的蝕刻精度決定，同時(shí)要考慮元件焊接時(shí)的安全距離。按照目前的制造能力，焊盤與焊盤之間的間距要求大于10mil貼片焊盤之間通孔焊盤之間貼片與通孔焊盤之間≥10mil≥10mil≥10mil3.銅塊間距07.PCB布線銅塊是PCB上的大面積金屬。銅塊與銅塊、銅塊與導(dǎo)線、銅塊與焊盤之間的距離一般大于導(dǎo)線間距，取導(dǎo)線間距的2-3倍銅塊銅塊與導(dǎo)線銅塊與焊盤銅塊與過孔銅塊與銅塊≥2×導(dǎo)線間距≥2×導(dǎo)線間距≥2×導(dǎo)線間距≥2×導(dǎo)線間距4.銅塊與板框邊沿的距離07.PCB布線在PCB制造中，出于電路板成品機(jī)械方面的考慮，避免由于銅皮裸露在板邊可能引起卷邊或電氣短路等情況發(fā)生，一般會(huì)將大面積鋪銅塊相對(duì)于板框邊沿內(nèi)縮20mil以上板框銅塊到板邊的距離≥20mil銅塊7.2單平面多區(qū)域鋪銅07.PCB布線銅塊1銅塊2銅塊3單平面多區(qū)域鋪銅實(shí)現(xiàn)過程07.PCB布線NET1GNDVCC其他網(wǎng)絡(luò)1選平面頂層主要用于普通信號(hào)線的連接，完成的連線無法保證完整的鋪銅平面，因此底層是鋪銅平面更合適的選擇。單平面多區(qū)域鋪銅實(shí)現(xiàn)過程07.PCB布線2標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)分布為需要的鋪銅連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同顏色。標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)分布是為了方便PCB工程師在繪制鋪銅區(qū)域時(shí)，實(shí)時(shí)了解連接點(diǎn)的分布情況NET1GNDVCC單平面多區(qū)域鋪銅實(shí)現(xiàn)過程07.PCB布線3繪制鋪銅區(qū)域根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的顏色標(biāo)識(shí)，可以直觀的了解各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)分布，并繪制鋪銅區(qū)域。多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的繪制順序沒有嚴(yán)格要求，具體的鋪銅區(qū)域也沒有標(biāo)準(zhǔn)方案。VCCNET1GND另一種鋪銅區(qū)域繪制方案07.PCB布線鋪銅區(qū)域的具體實(shí)現(xiàn)形式是多樣的，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。上一個(gè)方案中3個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鋪銅區(qū)域基本占滿整個(gè)平面，這是正確的做法。左圖所示為另一種鋪銅區(qū)域的繪制方案，兩種方式都可以完成鋪銅連接，但該方案將會(huì)造成該平面部分區(qū)域的銅缺失，從而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。VCCNET1GND銅缺失后期處理8.1制造文件的導(dǎo)出08.后期處理文件至PCB制板工廠的兩種交付方式設(shè)計(jì)源文檔制造文件08.后期處理線路層（Routing）每一個(gè)電氣層的線路信息，工廠可根據(jù)這些信息制造對(duì)應(yīng)層的金屬線路，建議使用“正片”方式輸出，文件數(shù)與層數(shù)一致絲印層（Silkscreen）頂層和底層的字符、油墨信息，工廠可根據(jù)這些信息制造電路板上的白色油墨，文件數(shù)為2助焊層（PasteMask）指示貼片封裝焊盤的大小和位置，也稱為“鋼網(wǎng)層”，用于焊接階段，與PCB制造無關(guān)，文件數(shù)為2阻焊層（SolderMask）指示電路板上綠油的覆蓋區(qū)域，也稱為“綠油層”，用于阻止綠油鋪進(jìn)焊盤和指示需要露出銅的區(qū)域，文件數(shù)為2鉆孔圖形層（DrillDrawing）PCB上鉆孔位置、數(shù)量及大小信息的圖形文件，文件數(shù)為1鉆帶文件（NCDrill）能夠被數(shù)控鉆機(jī)導(dǎo)入識(shí)別的鉆孔文件，可以理解為是直接驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)工作的指令文件，文件數(shù)為11.線路層08.后期處理線路層是電氣層的線路信息，主要用來制造PCB上的線路、銅塊、過孔焊盤和元件焊盤，其數(shù)量與PCB的層數(shù)相關(guān)。圖中黑色部分是需要保留銅箔的部分，而白色部分是需要刻蝕，去除銅箔的部分頂層線路底層線路白色：刻蝕部分2.絲印層08.后期處理絲印層主要用于制造頂層和底層的印制信息，例如元件的輪廓和標(biāo)注，各種注釋字符等。絲印層的文件數(shù)是固定的，包含頂層和底層兩個(gè)制造文件頂層絲印底層絲印白色：刻蝕部分3．助焊層08.后期處理助焊層，又稱為鋼網(wǎng)層，英文為PasteMask。該層雖然從PCB文件中導(dǎo)出，但其實(shí)與PCB制造無關(guān)。助焊層，顧名思義是幫助焊接，而且?guī)椭堋捌摹?，僅幫助貼片類型的焊盤本項(xiàng)目沒有貼片焊盤的元件，因此都是空白的頂層助焊底層助焊白色：刻蝕部分4．阻焊層08.后期處理阻焊層，又稱為綠油層，英文為SolderMask，主要用于制造PCB上的綠油。圖中白色部分是覆蓋綠油的區(qū)域，黑色部分是不覆蓋綠油區(qū)域。在行業(yè)中，阻焊層又