La progettazione di circuiti elettronici è il processo di pianificazione, test e costruzione di circuiti che svolgono compiti specifici. Implica la definizione dei requisiti, la scelta di parti affidabili, la creazione di schemi, la simulazione delle prestazioni e il test del progetto finale. Seguendo passaggi accurati, i circuiti diventano sicuri, efficienti e affidabili. Questo articolo fornisce informazioni dettagliate su ogni fase del processo di progettazione.
Panoramica della progettazione di circuiti elettronici
La progettazione di circuiti elettronici è il processo di pianificazione e costruzione di circuiti in grado di svolgere un compito specifico. Si inizia con piccoli esperimenti su una breadboard o attraverso simulazioni al computer per verificare se l'idea funziona. Successivamente, il progetto viene disegnato in un diagramma schematico che mostra come ogni parte è collegata. Il progetto viene trasferito su un circuito stampato (PCB), che può essere prodotto e assemblato in un sistema funzionante.
Questo processo combina spesso diversi tipi di segnali. I circuiti analogici funzionano con segnali fluidi e continui, mentre i circuiti digitali funzionano con segnali che commutano tra due stati. A volte, entrambi sono combinati nello stesso design per rendere il sistema più completo.
L'obiettivo della progettazione di circuiti elettronici è quello di creare un prodotto finale che non sia solo funzionale, ma anche affidabile e pronto per l'uso in condizioni reali. Un'attenta progettazione aiuta a garantire che il circuito funzioni correttamente, rimanga stabile e soddisfi i requisiti di sicurezza.
Requisiti delle specifiche tecniche
| Categoria | Esempi di specifiche |
|---|---|
| Elettrico | Tensione di ingresso: 5–12 V, Assorbimento di corrente: <1 A, Larghezza di banda: 10 MHz |
| Tempistiche | Latenza < 50 ns, jitter di clock < 2 ps |
| Ambientale | Funziona da -40°C a +85°C, 90% di umidità |
| Meccanico | Dimensioni PCB: 40 × 40 mm, Peso < 20 g |
| Conformità | Deve soddisfare le norme CE/FCC, EMC Classe B |
| Costo/Produzione | Costo della distinta base <\ $ 5, rendimento di assemblaggio >95% |
Architettura del sistema e progettazione di diagrammi a blocchi
Questo diagramma a blocchi illustra la struttura di base di un sistema elettronico suddividendolo in sottosistemi interconnessi. Il sottosistema di alimentazione fornisce energia stabile attraverso batterie, convertitori CC-CC e regolatori, costituendo la base per tutti gli altri blocchi. Al centro c'è il sottosistema di controllo, che ospita un microcontrollore, FPGA o processore responsabile della gestione del flusso di dati e del processo decisionale.
Il sottosistema analogico gestisce i segnali del mondo reale utilizzando sensori, amplificatori e filtri, mentre l'I/O digitale consente la comunicazione con dispositivi esterni tramite standard come USB, SPI, UART, CAN ed Ethernet. Un blocco di clock e temporizzazione separato garantisce la sincronizzazione con oscillatori, PLL e routing preciso per prestazioni a basso jitter.
Per mantenere l'affidabilità, vengono enfatizzate le zone di isolamento, che mantengono i segnali digitali rumorosi lontani dai circuiti analogici sensibili, riducendo le interferenze e migliorando la stabilità del sistema.
Componenti di base nella progettazione di circuiti elettronici
Resistori
Questi sono utilizzati per limitare e controllare il flusso di corrente elettrica. Aggiungendo resistenza, assicurano che le parti sensibili di un circuito non vengano danneggiate da troppa corrente.
Condensatori
Agisce come un piccolo dispositivo di accumulo di energia. Mantengono una carica elettrica e possono rilasciarla rapidamente quando necessario. Ciò li rende utili per stabilizzare la tensione, filtrare i segnali o fornire brevi raffiche di alimentazione.
Transistor
Funge da interruttori e amplificatori. Possono attivare o disattivare la corrente come un cancello controllato o rendere più forti i segnali deboli. I transistor fanno parte dell'elettronica moderna perché consentono ai circuiti di elaborare e controllare le informazioni.
Diodi
Guidare la direzione della corrente. Consentono all'elettricità di fluire in una sola direzione, bloccandola nell'altra direzione. Ciò protegge i circuiti dalle correnti inverse che potrebbero causare danni.
Ricerca e selezione dei componenti nella progettazione di circuiti elettronici
Considerazioni sulle prestazioni
Quando si scelgono le parti per un circuito, una delle prime cose da controllare sono le prestazioni. Ciò significa osservare come si comporterà il componente nel progetto. I dettagli richiesti includono la quantità di rumore che aggiunge, la sua stabilità nel tempo, la quantità di energia utilizzata e la capacità di gestire i segnali. Questi fattori decidono se il circuito funzionerà come dovrebbe.
Selezione del pacchetto
L'imballaggio di un componente è il modo in cui viene costruito e dimensionato. Influisce sulla quantità di spazio che occupa sulla scheda, sulla quantità di calore che può gestire e sulla facilità di posizionamento durante l'assemblaggio. I pacchetti più piccoli consentono di risparmiare spazio, mentre quelli più grandi possono essere più facili da lavorare e gestire meglio il calore. Scegliere la confezione giusta aiuta a bilanciare spazio, calore e facilità d'uso.
Disponibilità e catena di fornitura
Non è sufficiente che una parte funzioni bene; Deve inoltre essere disponibile quando necessario. È necessario verificare se la parte può essere acquistata da più di un fornitore e se verrà comunque prodotta in futuro. Ciò riduce il rischio di ritardi o riprogettazioni se la parte diventa improvvisamente difficile da trovare.
Conformità e standard
L'elettronica deve seguire le regole per la sicurezza e l'ambiente. Le parti sono spesso necessarie per soddisfare standard come RoHS, REACH o UL. Queste approvazioni assicurano che il componente sia sicuro da usare, non danneggi l'ambiente e possa essere venduto in diverse regioni. La conformità è una parte principale della selezione dei componenti.
Affidabilità e declassamento
Affidabilità significa per quanto tempo e quanto bene un componente può continuare a funzionare in condizioni di utilizzo normale. Per far durare più a lungo le parti, dovresti evitare di spingerle ai loro limiti massimi. Questa pratica è chiamata declassamento. Dando alle parti un margine di sicurezza, le possibilità di guasto diminuiscono e l'intero sistema diventa più affidabile.
Tipi di simulazioni di circuiti nella progettazione di circuiti elettronici
| Tipo di simulazione | Scopo nella progettazione di circuiti |
|---|---|
| Pregiudizio DC | Conferma che tutti i dispositivi funzionano ai punti di tensione e corrente corretti. Impedisce ai transistor di saturarsi o interrompersi involontariamente. |
| Spazzata CA | Valuta la risposta in frequenza, il guadagno e il margine di fase. Base per amplificatori, filtri e analisi di stabilità. |
| Transitorio | Analizza il comportamento nel dominio del tempo, ad esempio il passaggio, la risposta all'avvio, i tempi di salita/discesa e l'overshoot. |
| Analisi del rumore | Prevede la sensibilità del circuito al rumore elettrico e aiuta a ottimizzare le strategie di filtraggio per applicazioni a basso rumore. |
| Monte Carlo | Verifica la variazione statistica delle tolleranze dei componenti (resistori, condensatori, transistor), garantendo la robustezza del progetto in tutta la gamma di produzione. |
| Termico | Stima la dissipazione del calore e identifica i potenziali punti caldi, necessari per i circuiti di alimentazione e i design compatti. |
Erogazione di potenza e integrità del segnale nella progettazione di circuiti
Pratiche della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)
• Messa a terra a stella: utilizzare una connessione a stella per ridurre al minimo i loop di terra. Ciò riduce il rumore e garantisce un potenziale di riferimento costante su tutta la linea.
• Percorsi di ritorno brevi: fornire sempre percorsi di ritorno diretti e a bassa impedenza per la corrente. I loop lunghi aumentano l'induttanza e iniettano rumore nei circuiti sensibili.
• Condensatori di disaccoppiamento: posizionare i condensatori di disaccoppiamento di piccolo valore il più vicino possibile ai pin di alimentazione IC. Agiscono come serbatoi di energia locale e sopprimono i transitori ad alta frequenza.
• Condensatori di massa: aggiungere condensatori di massa vicino ai punti di ingresso dell'alimentazione. Questi stabilizzano l'alimentazione durante improvvisi cambiamenti di carico.
Considerazioni sull'integrità del segnale (SI)
• Instradamento a impedenza controllata: le tracce ad alta velocità devono essere instradate con un'impedenza definita (in genere 50 Ω single-ended o 100 Ω differenziale). In questo modo si evitano riflessioni ed errori nei dati.
• Gestione a terra: mantenere separate le masse analogiche e digitali per evitare interferenze. Collegali in un unico punto per mantenere un piano di riferimento pulito.
• Riduzione della diafonia: Mantenere la distanza tra le linee parallele ad alta velocità o utilizzare le tracce di protezione a terra. Ciò riduce al minimo l'accoppiamento e preserva la qualità del segnale.
• Stackup degli strati: nei PCB multistrato, dedicare piani continui per l'alimentazione e la terra. Ciò riduce l'impedenza e aiuta a controllare le EMI.
Layout PCB nella progettazione di circuiti
Posizionamento dei componenti
Posiziona i componenti in base alla funzione e al flusso del segnale. Raggruppa le parti correlate e riduci al minimo le lunghezze delle tracce, in particolare per circuiti analogici sensibili o ad alta velocità. I componenti di base, come gli oscillatori o i regolatori, devono essere posizionati vicino ai circuiti integrati che supportano.
Instradamento del segnale
Evitare curve di traccia a 90° per ridurre le discontinuità di impedenza e le potenziali EMI. Per le coppie differenziali, come USB o Ethernet, mantenere le lunghezze delle tracce abbinate per mantenere l'integrità della temporizzazione. Separa i segnali analogici e digitali per evitare interferenze.
Impilamento degli strati
Un impilamento degli strati bilanciato e simmetrico migliora la producibilità, riduce la deformazione e fornisce un'impedenza costante. I piani di terra e di alimentazione dedicati riducono il rumore e stabilizzano l'erogazione di tensione.
Considerazioni sull'alta velocità
Instradamento di segnali ad alta velocità con impedenza controllata, mantenimento di piani di riferimento continui ed evitamento di stub o vie non necessarie. Mantieni i percorsi di ritorno brevi per ridurre al minimo l'induttanza e preservare l'integrità del segnale.
Gestione termica
Posizionare le vie termiche sotto i dispositivi di alimentazione per diffondere il calore nei piani di rame interni o sul lato opposto del PCB. Utilizzare colate di rame e tecniche di diffusione del calore per circuiti ad alta potenza.
Progettazione schematica ed ERC nello sviluppo di circuiti
Fasi di progettazione schematica
• Fogli gerarchici: suddividi il progetto in sezioni logiche come sottosistemi di alimentazione, analogici e digitali. Ciò mantiene organizzati circuiti complessi e semplifica il debug o gli aggiornamenti futuri.
• Denominazione di rete significativa: utilizza nomi di rete descrittivi invece di etichette generiche. Una denominazione chiara evita confusione e velocizza la risoluzione dei problemi.
• Attributi di progettazione: includi i valori nominali di tensione, i requisiti di corrente e le informazioni sulle tolleranze direttamente nello schema. Questo aiuta durante la revisione e garantisce che i componenti siano selezionati con le specifiche corrette.
• Sincronizzazione dell'impronta: collega i componenti alle loro impronte PCB corrette all'inizio del processo. L'individuazione delle discrepanze ora previene ritardi e costose rilavorazioni durante il layout PCB.
• Distinta base preliminare: genera una bozza di distinta base dallo schema. Questo aiuta a stimare i costi, controllare la disponibilità delle parti e guidare la pianificazione dell'approvvigionamento prima di finalizzare il progetto.
Igiene del controllo delle regole elettriche (ERC)
• Rileva i pin mobili che possono causare un comportamento indefinito.
• Bandiere reti accorciate che potrebbero causare guasti funzionali.
• Garantisce che i collegamenti di alimentazione e di terra siano coerenti in tutto il design.
Test e convalida del circuito
• Aggiunta di punti di test su segnali importanti e linee di alimentazione in modo da poter effettuare facilmente le misurazioni durante il debug e i test di produzione.
• Fornire intestazioni di programmazione e debug come JTAG, SWD o UART per caricare il firmware, controllare i segnali e comunicare con il sistema durante lo sviluppo.
• Utilizzare alimentatori a corrente limitata quando si alimenta il PCB per la prima volta. In questo modo i componenti vengono protetti da danni in caso di cortocircuiti o errori di progettazione.
• Accendere e convalidare ciascun sottosistema separatamente prima di far funzionare l'intero sistema insieme. In questo modo è più facile isolare e risolvere i problemi.
• Confrontare tutti i risultati misurati con le specifiche di progettazione originali. Controllare i limiti termici, le prestazioni di temporizzazione e l'efficienza energetica per assicurarsi che il circuito funzioni come previsto.
• Conservare note dettagliate e i risultati dei test. Questa documentazione consente di eseguire revisioni future, risolvere i problemi e passare il testimone ai team di produzione.
Conclusione
La progettazione di circuiti elettronici combina pianificazione, simulazione e test per creare sistemi affidabili. Dall'impostazione delle specifiche al layout e alla convalida del PCB, ogni fase garantisce che i circuiti funzionino come previsto in condizioni reali. Applicando un buon design e standard, è possibile sviluppare soluzioni elettroniche sicure, efficienti e di lunga durata.
Domande frequenti
Domanda 1. Quale software viene utilizzato per la progettazione di circuiti elettronici?
Altium Designer, KiCad, Eagle e OrCAD sono comuni per gli schemi e il layout PCB. LTspice, Multisim e PSpice sono spesso utilizzati per le simulazioni.
Domanda 2. In che modo la messa a terra influisce su un circuito?
Una corretta messa a terra riduce il rumore e le interferenze. I piani di massa, la messa a terra a stella e la separazione delle masse analogiche e digitali migliorano la stabilità.
Domanda 3. Perché è necessaria la gestione termica nei circuiti?
Il calore in eccesso riduce la durata dei componenti e riduce le prestazioni. I dissipatori di calore, le vie termiche, le colate di rame e il flusso d'aria aiutano a controllare la temperatura.
Domanda 4. Quali file sono necessari per creare un PCB?
Per una fabbricazione e un assemblaggio accurati di PCB sono necessari file Gerber, file di perforazione, una distinta base (BOM) e disegni di assemblaggio.
Domanda 5. Come viene testata l'integrità del segnale?
Gli oscilloscopi, la riflettometria nel dominio del tempo (TDR) e gli analizzatori di rete controllano l'impedenza, la diafonia e la distorsione.
Domanda 6. Che cos'è la progettazione per la producibilità (DFM)?
DFM significa creare circuiti facili da produrre utilizzando footprint standard, rispettando i limiti del PCB e semplificando l'assemblaggio.