电路设计规则范文

导语：如何才能写好一篇电路设计规则，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

 

集成电路(IntegratedCircuit)产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1_4]

 

一、集成电路版图设计软件平台

 

为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学(以下简称"我校”从2005年起借助于大学计划。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计 、 ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。56]

 

集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制(fullcustom)、半定制(Semi-custom)和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计,涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。

 

在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统(ZeniEDASystem),这是中国唯1的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。

 

九天EDA软件系统包括设计管理器，原理图编辑器，版图编辑工具，版图验证工具，层次版图设计规则检查工具，寄生参数提取工具，信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。

 

二、集成电路版图设计的教学目标

 

根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。

 

在集成电路版图设计的教学中，首先对集成电路设计的_些相关知识进行回顾，介绍版图设计的基础知识，如集成电路设计流程，CMOS基本工艺过程，版图的基本概念，版图的相关物理知识及物理结构，版图设计的基本流程，版图的总体设计，布局规划以及标准单元的版图设计等。然后结合上机实验，讲解Unix和Linux操作系统的常用命令，详细阐述基于标准单元库的版图设计流程，指导学生使用ZeniSE绘制电路原理图，使用ZeniPDT进行NMOS/PMOS以及反相器的简单版图设计。在此基础上，让学生自主选择_些较为复杂的单元电路进行设计，如数据选择器、MOS差分放大器电路、二四译码器、基本RS触发器、六管MOS静态存储单元等，使学生能深入理解集成电路版图设计的概念原理和设计方法。最后介绍版图验证的基本思想及实现，包括设计规则的检查(DRC),电路参数的检查(ERC),网表一致性检查(LVS),指导学生使用ZeniVERI等工具进行版图验证、查错和修改。7]

 

集成电路版图设计的教学目标是：

 

第熟练掌握华大EDA软件的原理图编辑器ZeniSE、版图编辑模块ZeniPDT以及版图验证模块ZeniVER丨等工具的使用;了解工艺库的概念以及工艺库文件technology的设置，能识别基本单元的版图，根据版图信息初步提取出相应的逻辑图并修改，利用EDA工具ZSE画出电路图并说明其功能，能够根据版图提取单元电路的原理图。

 

第二，能够编写设计版图验证命令文件(commandfile)。版图验证需要四个文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)来支持，要求学生能够利用ZeniVER丨进行设计规则检查DRC验证并修改版图、电学规则检查(ERC)、版图网表提取(NE)、利用LDC工具进行LVS验证，利用LDX工具进行LVS的查错及修改等。

 

第三，能够基本读懂和理解版图设计规则文件的含义。版图设计规则规定了集成电路生产中可以接受的几何尺寸要求和可以达到的电学性能，这些规则是电路设计师和工艺工程师之间的_种互相制约的联系手段，版图设计规则的目的是使集成电路设计规范化，并在取得最佳成品率和确保电路可靠性的前提下利用这些规则使版图面积尽可能做到最小。

 

第四，了解版图库的概念。采用半定制标准单元方式设计版图，需要有统一高度的基本电路单元版图的版图库来支持，这些基本单元可以是不同类型的各种门电路，也可以是触发器、全加器、寄存器等功能电路，因此，理解并学会版图库的建立也是版图设计教学的一个重要内容。

 

三、CMOS反相器的版图设计的教学实例介绍

 

下面以一个标准CMOS反相器来简单介绍一下集成电路版图设计的一般流程。

 

1.内容和要求

 

根据CMOS反相器的原理图和剖面图，初步确定其版图;使用EDA工具PDT打开版图编辑器;在版图编辑器上依次画出P管和N管的有源区、多晶硅及接触孔等;完成必要的连线并标注输入输出端。

 

2.设计步骤

 

根据CMOS反相器的原理图和剖面图，在草稿纸上初步确定其版图结构及构成;打开终端，进入pdt文件夹，键入pdt,进入ZeniPDT版图编辑器;读懂版图的层次定义的文件，确定不同层次颜色的对应，熟悉版图编辑器各个命令及其快捷键的使用;在版图编辑器上初步画出反相器的P管和N管;检查画出的P管和N管的正确性，并作必要的修改，然后按照原理图上的连接关系作相应的连线，最后检查修改整个版图。

 

3.版图验证

 

打开终端，进入zse文件夹，键入zse,进入ZeniSE原理图编辑器，正确画出CMOS反相器的原理图并导出其网表文件;调出版图设计的设计规则文件，阅读和理解其基本语句的含义，对其作相应的路径和文件名的修改以满足物理验证的要求;打开终端，进入pdt文件夹，键入pdt，进入ZeniPDT版图编辑器，调出CMOS反相器的版图，在线进行DRC验证并修改版图;对网表一致性检查文件进行路径和文件名的修改，利用LDC工具进行LVS验证;如果LVS验证有错，贝懦要调用LDX工具，对版图上的错误进行修改。

 

4.设计提示

 

要很好的理解版图设计的过程和意义，应对MOS结构有一个深刻的认识;需要对器件做衬底接触，版图实现上衬底接触直接做在电源线上;接触孔的大小应该是一致的，在不违反设计规则的前提下,接触孔应尽可能的多，金属的宽度应尽可能宽;绘制图形时可以多使用〃复制"操作，这样可以大大缩小工作量，且设计的图形满足要求并且精确;注意P管和N管有源区的大小，一般在版图设计上，P管和N管大小之比是2:1;注意整个版图的整体尺寸的合理分配，不要太大也不要太小;注意不同的层次之间应该保持一定的距离，层次本身的宽度的大小要适当，以满足设计规则的要求。四、基本MOS差分放大器版图设计的设计实例介绍在基本MOS差分放大器的版图设计中，要求学生理解构成差分式输入结构的原理和组成结构，画出相应的电路原理图，进行ERC检查，然后根据电路原理图用PDT工具上绘制与之对应的版图。当将基本的版图绘制好之后，对版图里的输入、输出端口以及电源线和地线进行标注，然后利用几何设计规则文件进行在线DRC验证，利用版图与电路图的网表文件进行LVS检查，修改其中的错误并优化版图，最后全部通过检查，设计完成。

 

五、结束语

 

集成电路版图设计的教学环节使学生巩固了集成电路设计方面的理论知识，提高了学生在集成电路设计过程中分析问题和解决问题的能力，为今后的职业生涯和研究工作打下坚实的基础。因此，在今后的教学改革工作中，除了要继续提高教师的理论教学水平外，还必须高度重视以EDA工具和设计流程为核心的实践教学环节，努力把课堂教学和实际设计应用紧密结合在一起，培养学生的实际设计能力，开阔学生的视野，在实验项目和实验内容上进行新的探索和实践。

 

参考文献：

 

[1]孙玲.关于培养集成电路专业应用型人才的思考[J].中国集成电路,2007,(4):19-22.

 

[2]段智勇，弓巧侠，罗荣辉，等.集成电路设计人才培养课程体系改革[J].电气电子教学学报,2010,(5):25-26.

 

[3]唐俊龙，唐立军，文勇军，等.完善集成电路设计应用型人才培养实践教学的探讨J].中国电力教育,2011,(34):35-36.

 

[4]肖功利，杨宏艳.微电子学专业丨C设计人才培养主干课程设置[J].桂林电子科技大学学报,2009,(4):338-340.

 

[5]窦建华，毛剑波，易茂祥九天”EDA软件在"中国芯片工程〃中的作用[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2008,(6):154-156.

 

[6]易茂祥，毛剑波，杨明武，等.基于华大EDA软件的实验教学研究[J].实验科学与技术，2006,(5):71-73.

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Tao Zhongliang；Zhao Wenzhuo

（Jilin Aeronautical Engineering School，Jilin 132102，China）

摘要： 计算机的发展以及应用领域的不断扩大，为电路设计提供了强大支持。Protel DXP 2004这一软件在工程设计和学校教学过程中应用极为广泛，为了让学生更好的掌握这一软件，我们在教学中采用任务教学法。

Abstract: The development of computers and the expansion of its application provide a powerful support for the circuit design. Protel DXP 2004 is extensively used in engineering design and teaching process. In order to enable students to better master this software, we use task-based approach in teaching.

关键词： EDA 计算机辅助设计 PROTEL DXP 2004 任务教学法

Key words: EDA；computer-aided design；PROTEL DXP 2004；task-based approach

中图分类号：G43文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0223-01

0引言

计算机的发展以及应用领域的不断扩大，为电路设计提供了强大支持。电路设计自动化（EDA）就是将电路设计中的各项工作由计算机辅助完成，它极大提高了电路设计的效率，有效的减轻了设计人员的劳动轻度。

1以Protel DXP 2004软件为例

目前，国内最流行的电子电路设计工具，就是Altium公司开发的Protel系列软件，而Protel DXP 2004是Altium公司2004年推出的Protel版本，也是目前功能比较完善的一个版本。

1.1 原理图设计部分，主要是对原理图编辑器的熟练使用。原理图编辑器主要是完成实际电路电气连接的正确描述，包括选取元器件的原理图符号并且正确的连接，选择元器件的封装；

1.2 PCB设计部分，主要是对PCB编辑器的熟练使用。PCB编辑器主要是根据原理图的设计，完成电路板的制作。包括规划电路板的外形，元器件的布局布线覆铜等；这两个阶段是可以相互调整的，当原理图改变之后，PCB板要相应的更新，反之亦然。

在传统的教学过程中，学生理解和练习的时候往往印象不是很深，有些操作容易遗忘。基于这一原因，在平时的教学过程中，我将Protel DXP 2004这门课程设计成任务教学法。即在学习每个知识点之前，给学生布置一个绘图任务，然后对所绘图形中需要的知识点在绘图过程中逐依讲解。

下面主要通过几个例子说明一下任务教学法。

例一：制作元器件封装

布置任务：制作元器件封装（自制法）

制作封装方法：自制一个可变电阻器封装，封装名为KR

（1）文件――创建――库――PCB库 注：可以设置界面参数，但一般是默认界面参数设置方法：右键――选择项――库选择项。

（2）保存

②绘制PCB封装：

（1）在Mulit-Layer层上放置焊盘

注：设定参考点方法编辑――设定参考点――位置――点击所设焊盘

其他焊盘调整X,Y坐标确定具置。

（2）在Top Overlayer层放置外形轮廓线

③保存命名：

（1）命名：工具――元件属性――命名KR

（2）保存注：通过右下脚PCB编辑器PCB――PCB Library可查看，双击封装也可命名

继续制作：工具――新元件……

例二：印制电路板全过程

印制电路板的过程在学生们的眼里是很困难的，这里我们布置一个任务，让大家绘制好图形后生成电路板。我们对各个步骤采用边讲解边总结的方法，以便加深学生的印象，达到熟练掌握的目的。

布置任务：绘制图形及印制电路板全过程练习方法步骤演示：

①建立项目文件：

（1）原理图文件； （2）PCB文件； （3）原理图库文件； （4）PCB库文件；

②编译原理图：

(1)在工程文件Projects标签中，右键单击原理图―Compile…编译；或（2）在原理图界面 项目管理――Compile…

③边界设定：

（1）物理边界设定：在Mechanical层画矩形，大小可通过设定直线坐标设定；设计――PCB形状――重新定义――再画出边框；

（2）电气边界设定：在Keep-Out-Layer层画电气边界。

④更新PCB：

（1）原理图界面：设计――Update…；或（2）PCB界面：设计――Import Changes From…；使变化生效――执行变化、删除生成的元器件盒；

⑤元件布局：

（1）自动布局：工具――放置元件――自动布局；（2）手动布局：手动调整；

⑥布线规则设置：设计――规则

（1）电气规则Electrical：①间距Clearance

（2）布线规则Routing：

a.线宽With，常加宽VCC和GND线宽；b.优先级Routing Priority，常把VCC设置为1，其他改为2；c.过孔Routing Via Style；

⑦布线：（1）自动布线： ①自动布线―全部对象。②自动布线―网络―选中一网络（2）手动布线：有时我们自己调整布线需要用到手动布线功能；完善PCB板：一块理想的印制电路板还需要进行一些完善工作；

⑧覆铜： 注意覆铜工作层面和网络（GND）的选择；

⑨放过孔：为了让顶层和底层的覆铜更好的连接；

⑩放补泪滴：工具――泪滴焊盘；

???放文字：在顶层丝印层Top Over Layer放置；

制作完毕，保存；

???三维立体查看：查看――显示三维PCB板。

2结束语

以上是在教学过程中总结出的一些教学方法，利用这种任务教学法，让学生一边绘图一边将知识点掌握，同时也将重点知识总结归纳，以便日后复习。

参考文献：

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【关键词】教学目标；过程；协作学习；情境；能动性

【Abstract】Base on project teaching method ， proposed the teaching reform steps and Methods of the Microcomputer principle，set up a teaching situation ，it is clear that Teachers under the student as the center ， “student performance management system”project used to wear in Microcomputer principle， inspired the learning interest of the students.

【Key words】The teaching goal；Process；Collaborative learning；Situation；Motility

1 项目教学法[1]

根据项目教学法原理和规则， 把理论和实践相结合，让学习者在一定的情境即社会需求的背景下，把自身已有的知识和经验为基础主动的建构学习活动。即是在教师设计的情境下的学生的学习过程，使学生借助已有的知识和经验，主动探索，积极交流，建立对《微机原理》课程新的认知过程。笔者将《微机原理》与工程项目相结合，将工程项目应用于教学的过程，也是使学生主动建构自己已有知识经验的过程，同时也是通过新经验与原有知识经验的相互作用而不断充实、丰富和改造自己已有知识经验的过程。将课程与工程项目结合，更强化了学生学习的主动性、实践性、创造性和社会性，从而对学习与教学提出了许多新的见解和思想。

2 《微机原理》的课程情景

《微机原理》的课程情景包括《微机原理》课程特点和《微机原理》课程设置特点。

（1）《微机原理》课程特点：《微机原理》包括二个方面的内容，其一，汇编语言的程序设计；其二，硬件电路的设计和软件接口；其三，《微机原理》涉及的概念比较复杂，规则繁多，使用灵活，容易出错，教师教学和学生学习都感到困难，并不同程度产生畏难心理；这是一门实践情很强的课程，没有深澳的理论，也没有逻辑推理过程，同时是指令对底层的操作，所以执行过程是看不见摸不着的，对学生来说不能形象的理解，枯槽无味，因此学习起就比较困难。

（2）《微机原理》课程设置特点：其一，《微机原理》教学的少课时，多内容，该课程从54学时减少到了41学时；其二，汇编语言作为程序设计语言之一，不但是计算机专业的必修课，而且非计算机专业的学习课程。

为解决上述问题笔者在整个教学过程中分别以指令系统模型图和系统电路为主线，将系统电路分为七个模块，描述硬件系统开发过程，将各个子项目合理按排到单元，并且提出了下列要求：将教材的各接口芯片与 存储器2716、2114以独立方式编址按下列要求设计电路：

（1）译码芯片为74LS138＼74LS32＼74LS20＼74LS04＼74LS30

（2）ROM存储器系统为2KB RAM存储器系为4KB

（3）接口芯片的端口地址16位其中最低二位为接口芯片的片内译码，第三位到第8位为74LS138的输入和控制信号，第九位到第十四位为自已学号编号作为门电路的译码输入信号。

要求学生在本课程学习的过程中完成上述项目内容（以下简称为“项目”）。

3 《微机原理》的课程内容的设计

3.1 抽象的指令形象化 ，由于PC 机的汇编指令比较多，同时指令是对底层的操作，是看不见摸不着的，所以学习起来比较费劲，难以理解，所以为化解这个问题，在汇编语言的这部分教学过程中设计一个模型，有助于学生在学习指令时对指令的理解。

例如根据指令系统模型在讲解MOV AL，[1000H]指令时，强调将13送至AL中，不是将1000H送入AL中，图中是采用动画，这样就很直观的形象，例如要求将1000H单元的内容送至I/O接的2000H端口中去

MOV DX，2000H

MOV AL，[1000H]

OUT DX，AL

这个例题既让学生理解I/O操作指令又让学生理解存储器和I/O指的作令是不同的，既形象又直观。

3.2 硬件部分教学设计

教学内容如系统电路图2所示 ，通过这张电路图让学生知道本课程的学习任务，达到什么样的要求，从而激发学生的学习兴趣。

作者将本系统电路划分为七个模块，分别是译码电路设计、存储器系统设计、8253定时电路电路设计、8251接口电路设计、8255接口电路设计和A/D或D/A电路设计及8259接口电路设计，把每个子项目与其章节对应，以该系统电路为教学过程的始终，将各章节的知识点惯穿其中，从而引导学生学习完相应内容后积极完成项目的相应任务，掌握各章节的知识，要求学生最终完项目的设计，让学生知道学习的最终目标和《微机原理》课程的意义，看到了自已的收获，激发了学生积极性，使学生产生学习兴趣，从而提高学习效率。

3.3 分析教学目标、明确教学任务

基于项目教学法的思想，我们的教学设计是学生是学习的主体，在汇编语言程序设计部分通过指令系统模型图，确定《微机原理》课程的汇编语言程序设计部分学习情境教学目标分析，确定基本概念、语法以及程序设计有关的知识内容，《微机原理》硬件部分，明确各子项目与CPU接口的基本方法，这是教学设计面临的首要任务。

《微机原理》课程目标：通过项目的训练，培养学生编程思想和基本技能，熟悉基本程序设计方法，掌握硬件电路的设计，能更好理解软硬件结合，解决本专业领域中的问题。

4 教学过程设计

笔者基于项目教学法的思想，以指令系统模型和系统电路设计真实问题情景为依托，探索、学习和解决实际问题的过程，从而用问题来驱动学习。

《微机原理》采用 以模块为载体，用任务进行驱动的教学方法。以《系统电路设计》为主线，把任务分配于所有章节中，课程教学具有连贯性。同时结合现场提供实际项目案例（子项目）组织教学。教学过程中，通过案例导入，任务驱动（I/O接口电路是怎么样编址？），引导学生由简到繁、由易到难、循序渐进地完成一系列“模块任务”，在完成“模块任务”的过程中，培养学生分析问题、解决问题，完成课程设计和教学训练的全过程。使学生体会到知识的实用性，提高学习兴趣。

例如 在硬件部分教学过程中，先以译码电路设计先行，因为译码电路是接口电路设计的第一道关口，只有弄清楚了这部电路的设计，也就理解了I/O端口编址方法，从而更进一步理解端口的概念。所以阐述译码电路设计的原则，输入信号的构成及输出信号为低电平，同时阐述地址编码规则，给出应该实例进行分析。

5 学习情境设计

学习情景的选择：为学生选择一个完整、真实的学生比较熟悉问题背景（例如讲授输入输出接口时I/O接口为什么要设置地址？引入这栋大楼的教室为什么要编号？）作为《微机原理》教学的平台或者切入点，激必学生学习的欲望；同时该情境又要能让学生感受此情境的在学习过程中学生在这个群体互动与交流，即协作学习，驱动学习者进行自主学习，从而达到主动建构知识意义的目的。

所以笔者在《微机原理》教学实施中，将《系统电路》实际问题或引入课堂教学，进行适当简化处理，作为教学和实验实训项目。根据课程内容和工作过程，结合学生特点，采用任务驱动、项目教学、讲练结合等教学手段，把项目开发过程的工作环节及任务穿插于各个知识点的学习中，设计如下的七个学习情境[2]。

译码电路设计――输入输出接口

存储器系统设计――存储器

8253接口电路设计――定时与计数器

8251接口电路设计――串行接口

8255接口电路设计――并行接口

A/D或D/A电路设计――模拟量输入/输出通道

8259接口电路设计――中断系统

6 协同学习环境设计

在《微机原理》教学过程中始终以《系统电路》为主线，让学生在自学的基础上开展小组讨论、协商，以进一步完善和深化对项目意义建构。整个协同学习过程均由教师组织引导，讨论的问题可由师生根据教学内容，根据项目结合《系统电路》提出，在教师的指导下通过个人、小组搜集材料、提取信息、处理信息、合作研究、探索解决问题的学习方式，为学生提供一个交流、合作、探索、发展的平台。

例如：项目内容的（3），就是要求学生在学习完译码电路设计后完成，为此为了让学生理解其中的位的概念，就必需引导对学生将地址总线和学号的编号对应。从而让学生发挥想象，自主设计，由于学号不同所以设计出来的译码电路也就各不相同。

7 总结

在基于项目教学法的思想指导下，将指令系统模图和《系统电路》运用在《微机原理》教学中，始终突出以学生为主，教师为辅原则， 通过鼓励学生主动参与项目，自主学习、培养学生的团队意识和探索精神，从而激发了学生的学习兴趣。这种教学改进深受学生欢迎，使学生对微机原理掌握更深入、更扎实，全面的提升《微机原理》的教学质量。

【参考文献】

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关键词：版图设计；九天EDA系统；D触发器

Full-Custom Layout Design Based on the Platform

of Zeni EDA System

YANG Yi-zhong , XIE Guang-jun, Dai Cong-yin

（Dept. of Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

Abstract: Layout of D flip-flop based on some basic units such as inverter has been designed by using platform of Zeni EDA software system produced by China Integrated Circuit Design Center, adopting 0.6um Si-gate CMOS process, following a full-custom IC design flow of back-end, i.e. the construction of basic cell libraries, placement & routing and then layout verification, which is used for data collection unit. Layout design technique about elementary logic gate of digital circuit has been discussed in detail. The layout has been used in an IC. The result shows that design using Zeni EDA software system satisfies design requirement exactly.

Key words: layout design; Zeni EDA system; D flip-flop

1引言

集成电路（Integrated Circuit，IC）把成千上万的电子元件包括晶体管、电阻、电容甚至电感集成在一个微小的芯片上。集成电路版图设计的合理与否、正确与否直接影响到集成电路产品的最终性能[1]。目前，集成电路版图设计的EDA （ Electronic Design Automation）工具较多，但主流的集成电路版图设计的EDA工具价格昂贵，而我国自主开发的九天EDA系统，具有很高的性价比，为我们提供了理想的集成电路设计工具。

2基本概念

2.1 版图

版图是将三维的立体结构转换为二维平面上的几何图形的设计过程，是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。它包括了电路尺寸、各层拓扑定义等器件的相关物理信息，是设计者交付给代工厂的最终输出。

2.2 版图设计

它将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、电容等以及它们之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信息。主要包括图形划分、版图规划、布局布线及压缩等步骤[2]。版图设计是实现集成电路制造的必不可少的环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且会在一定程度上影响集成电路的性能、面积、成本与功耗及可靠性等[3]。版图设计是集成电路从设计走向制造的桥梁。

2.3 集成电路版图实现方法

集成电路版图实现方法可以分为全定制（Full-Custom）设计和半定制（Semi-Custom）设计[4]。半定制设计方法包括门阵列设计方法、门海设计方法、标准单元设计方法、积木块设计方法及可编程逻辑器件设计方法等。全定制设计方法是利用人机交互图形系统，由版图设计人员从每一个半导体器件的图形、尺寸开始设计，直至整个版图的布局和布线。全定制设计的特点是针对每一个元件进行电路参数和版图参数的优化，可以得到最佳的性能以及最小的芯片尺寸，有利于提高集成度和降低生产成本。随着设计自动化的不断进步，全定制设计所占比例逐年下降[5]。

3九天EDA系统简介

华大电子推广的应用的九天EDA系统是我国自主研发的大规模集成电路设计EDA工具，与国际上主流EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了作用，成功开发出了许多实用的集成电路芯片[6]。其主要包括下面几个部分[7]：ZeniSE（ Schematic Editor）原理图编辑工具，它可以进行EDIF格式转换，支持第三方的Spice仿真嵌入； ） ZeniPDT （ Physical Design Tool）版图编辑工具；它能提供多层次、多视窗、多单元的版图编辑功能，同时能够支持百万门规模的版图编辑操作；ZeniVERI （ Physical Design Verification Tools）版图验证工具它可以进行几何设计规则检查（DRC） 、电学规则检查（ ERC） 及逻辑图网表和版图网表比较（LVS）等。

版图设计用到的工具模块是ZeniPDT，它具备层次化编辑和在线设计规则检查能力，并提供标准数据写出接口。其设计流程如图1所示[8]，

4设计实例

任何一个CMOS数字电路系统都是由一些基本的逻辑单元（非门、与非门、或非门等）组成，而基本单元版图的设计是基于晶体管级的电路图设计的。因而在版图设计中，主要涉及到如何设计掩膜版的形状、如何排列晶体管、接触孔的位置的安排以及信号引线的位置安排等。以下以一个用于数据采集的D触发器为例进行设计。

4.1 D触发器电路图及工作原理

D触发器电路图，如图2所示，此电路图是通过九天EDA系统工具的ZSE模块构建的，其基本工作原理是：首先设置CLB=1。当时钟信号CLK=0时，DATA信号通过导通的TG1进入主寄存器单元，从寄存器由于TG4的导通而形成闭合环路，锁存原来的信号，维持输出信号不变。当CLK从0跳变到1时，主寄存器单元由于TG2的导通而形成闭合回路，锁存住上半拍输入的DATA信号，这个信号同时又通过TG3经一个与非门和一个反相器到达Q端输出。当CLK再从1跳变到0时，D触发器又进入输入信号并锁存原来的输出状态。对于记忆单元有时必须进行设置，电路中的CLB信号就担当了触发器置0 的任务。当CLB=0时，两个与非门的输出被强制置到1，不论时钟处于0还是1，输出端Q均被置为0。

4.2 D触发器子单元版图设计

图2所示的D触发器由五个反相器、两个与非门、两个传输门和两个钟控反相器组成。选择适当的逻辑门单元版图，用这些单元模块构成D触发器。

对于全定制的集成电路版图设计，需要工作平台，包括设计硬件、设计使用的EDA软件以及版图设计的工艺文件和规则文件。此D触发器的设计硬件是一台SUN Ultra10工作站，设计软件是九天EDA系统，采用0.6um硅栅CMOS工艺。

CMOS反相器是数字电路中最基本单元，由一对互补的MOS管组成。上面为PMOS管（负载管），下面为NMOS管（驱动管）。由反相器电路的逻辑“非”功能可以扩展出“与非”、“或非”等基本逻辑电路，进而得到各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。

在电路图中，各器件端点之间所画的线表示连线，可以用两条线的简单交叉来表示。但对于具体的物理版图设计，必须关心不同连线层之间物理上的相互关系。在硅CMOS工艺中，不能把N型和 P型扩散区直接连接。因此，在物理结构上必须有一种实现简单的漏极之间的连接方法。例如，在物理版图中至少需要一条连线和两个接触孔。这条连线通常采用金属线。可得如图3（a）所示的反相器的局部的符号电路版图。同理，可以通过金属线和接触孔制作MOS管源端连接到电源VDD和地VSS的简单连线，如图3（b）所示。电源线和地线通常采用金属线，栅极连接可以用简单的多晶硅条制作。图3（c）给出了最后的符号电路版图。

通过九天版图设计工具绘制的反相器版图如图4所示。其他基本单元的版图可依此建立。

4.3 D触发器版图设计

先建立一个名为DFF的库，然后把建立的各个单元版图保存在DFF库中，同时在库中建立名为dff的新单元。调用各子单元，并进行相应D触发器的版图布局，接着就是单元间的连线。主要用到的层是金属1、金属2和多晶硅进行连接布线。接触孔是用来连接有源区和金属1，通孔用来连接金属1和金属2，多晶硅和多晶硅以及相同层金属之间可以直接连接。版图设计完成后，再利用版图验证工具ZeniVERI对该版图进行了版图验证。最后，经过验证后D触发器的版图如图5所示。

5结语

在分析CMOS 0.6um设计规则和工艺文件后，采用九天EDA系统，以D触发器为例进行了版图设计。实践表明，九天EDA系统工具具有很好的界面和处理能力。该版图已用于相关芯片的设计中，设计的D触发器完全符合设计要求。

参考文献

[1] Chen A, Chen V, Hsu C. Statistical multi-objective optimization and its application to IC layout design for E-tests[C]. 2007 International Symposium on Semiconductor Manufacturing, ISSM - Conference Proceedings, 2007, 138-141.

[2] 程未, 冯勇建, 杨涵. 集成电路版图（layout） 设计方法与实例[J]. 现代电子技术, 2003, 26 （3） : 75-78.

[3] 王兆勇, 胡子阳, 郑杨. 自动布局布线及验证研究[J]. 微处理机, 2008,1:3132.

[4] 王志功, 景为平. 集成电路设计技术与工具[M]. 南京:东南大学出版社, 2007:6-11.

[5] Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic. 周润德译. 数字集成电路――电路、系统与设计（第二版）[M], 北京:电子工业出版社, 2006, 48-51.

[6] 易茂祥, 毛剑波, 杨明武等. 基于华大EDA软件的实验教学研究[J]. 实验科学与技术, 2006, 5:71-72.

[7] China Integrated Circuit Design Center. Zeni Manual Version 3.2, 2004.

[8] 施敏, 徐晨. 基于九天EDA系统的集成电路版图设计[J]. 南通工学院学报（自然科学版） , 2004, 3 （4）:101-103.

篇5

一、课例简介

（一）课例名称

基本RS触发器

（二）课例内容

基本RS触发器的概念及其应用。触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，而基本RS触发器又是各种类型触发器的基本形式，因此它对整个章节的学习具有重要的意义。

二、学生特征

学生为电子技术专业一年级学生，通过前期课程《电工基础》、《模拟电子技术》和本课程前一阶段的学习，已具备了一定的电路的分析、设计及制作的能力。已在本课程学习了“与”、“或”、“非”及其复合逻辑的逻辑符号、逻辑表达式及逻辑运算规则，具备了学习本课的基本知识，对将触发器用于实际电路的设计与制作有强烈的认知愿望，因此对本节课的学习很感兴趣，但又觉得难度大。

三、教学设计

（一）教学目标分析

1．知识与技能目标。让学生了解触发器的概念及其应用；学会分析基本RS触发器的电路结构、工作原理，掌握触发器在实际电路设计中的应用。

2．方法和能力目标。让学生初步掌握分析电路的方法，进一步培养学生的电路设计与制作的能力和分析、解决问题的能力；培养学生获取数字电子技术的能力，交流表达的能力和自主学习的内在发展能力 。

3．情感与态度目标。通过让学生积极参与探究，投入到课堂教学双边活动中，培养学生的合作意识；通过让学生体验成功，享受发现的乐趣，培养学生学习数字电子技术的自信心。

（二）教学重点和难点

1.重点：基本RS触发器工作原理及在实际电路设计中的应用。

2.难点：如何根据基本RS触发器的电路结构分析其工作原理。

（三）教学目标实现策略

1．通过课件中的实物图片、动画、模拟仿真等手段将学生带进形象的教学情境之中，突出教学内容中的重点、难点，激发学生学习兴趣，提高教学效率。

2．采用问题解决的教学策略，以引导式的问题循序渐进地教学，提高学生分析问题、解决问题的能力。

3．采用教师引导、启发。首先教师提出问题、然后学生讨论、发言、同学点评、教师点评；培养学生的认知能力、问题解决与处理能力及交流沟通能力，使学生在双向互动的教学活动中掌握知识。

（四）教学过程

结构如下图所示：

（五）学习评价

采用过程性评价和形成性评价相结合的方法进行学习评价，注重利用学生学习质量反馈结果改进教学。

1．过程性评价。（1）通过课堂教学中与学生的互动情况反馈。（2）学生讨论及上台演示的表现。（3）通过学生完成“在线测试”情况了解教学效果。

2．形成性评价。通过查阅网络课程的“电路设计与制作指导”栏目，完成“由触发器构成的改进型抢答器”电路的设计与制作。要求学生能正确选择和测试所使用的元件，电路设计正确、布线合理、制作美观，电路通过检测能实现相应的功能。

篇6

【关键词】基准源；Altium Designer；电路设计

随着电子技术的飞速发展及印制电路板加工工艺的不断提高，印制电路板的设计和制作的要求也越来越高。Altium Designer凭借其使用方便且功能强大等特点成为电子企业广泛使用的制作印制电路板的软件之一。本文根据基准源电路的实例通过Altium Designer软件对设计电路板时的常见问题和技巧进行了总结。

1 基准源原理框图

2 项目文件的建立

2.1 原理图文件的建立

1）新建jizhunyuan.PrjPcb项目，再新建原理图jizhunyuan.SchDoc文件，文件命名中英文皆可。

2）放置元器件。放置元器件后先修改参数，主要包括修改元件编号和封装[1]。修改技巧如下。

技巧一：相同元件可以先全部放完，再批量修改参数。快捷批量修改属性可通过“Find Similar Objects…”进行修改。

技巧二：相同元件可以自动编号，编号顺序可以从上到下，也可以从左到右等，可以按照自己的习惯进行任意顺序的编号。

3）绘置库元件[2-3]。当默认的元件库中不包括所需绘制的元件时，可分以下三种情况进行绘制。

情况一：根据实物的外形和管脚的分配进行绘制。

情况二：在元件库中找相似的元件符号进行编辑。

情况三：直接替代。直接替代的话注意编辑封装时，封装的引脚顺序必须和实物完全一致，否则实际焊接时会出现错误。例如元件库中没有MAX232芯片，只有排针Header 8×2，可以用该排针直接进行替代，但是封装须编辑为MAX232芯片的实际封装。

在绘制库元件时还有些注意事项。

事项一：在绘制库文件时，要在十字架的中心处绘制元件的图形边框和放置管脚，否则将无法准确地在原理图中对绘制好的库元件进行移动。

事项二：在放置元件引脚时，带电气特征的引脚一端向外（将视图放大后，引脚两端中有四个白点的一端具有电气特性，方向必须朝外），否则当元件调入原理图中时会连不上线。

事项三：元件管脚的注释（“Display Name”）最好与实际管脚的功能一致或接近，以增强原理图的可读性。

事项四：如果库中元件有相似的元件，只需对元件的引脚进行编辑，可先放置库中已有的元件后，双击元件将“Lock Pins”选项的勾去掉以解锁引脚，编辑完后再对引脚“Lock Pins”选项进行勾选，这样能更加快捷地绘制出元件符号。

4）布局连线

布局需按照电路的功能进行合理的分区，如电源区、模拟电路区、数字电路区等，这样便于检查连线是否正确。各个分区间通过网络标号进行连接，以便于绘制、检查、修改，同时也增强了原理图的可读性和美观性。本文设计的基准源原理图如图2所示。

2.2 PCB文件的建立

1）在项目文件jizhunyuan.PriPcb中新建PCB文档。

2）在原理图编辑器下，检查每个元件的封装是否正确。有两个方面需要特别注意。

方面一：封装的尺寸必须和实物的尺寸完全一致，否则实际焊接时会出现焊接不上的现象。

方面二：元件封装的引脚序号必须与元件在原理图中的引脚序号一样，否则就会出现加载网络表后在PCB板中元件没有连接的现象。例如电阻在原理图中元件的引脚序号为1和2，而在其对应的封装中引脚序号为A和K，则必须将引脚序号更改为一致（如都为1和2）。

3）制作封装库[4]。默认封装库中没有所需的封装时，可根据以下两种情况进行制作。

情况一：精确测量实物实际尺寸进行封装的绘制。

情况二：精确测量实物实际尺寸在已有的封装库中对相似的封装进行编辑。

同时，制作封装时放置的焊盘其中心孔要比器件引线直径稍微大些，这样方便焊接。当然，焊盘也不宜太大，太大易形成虚焊。

4）将原理图jizhunyuan.SchDoc导入到PCB板中。

5）元器件布局

布局时要将电路板合理分区，通常分为电源区、模拟电路区、数字电路区、功率驱动区、用户接口区等，这样能够减小导线的长度，也能降低布线的复杂度。各个区按各自的电气特性放置元件，不可交叉放置元件，否则会出现导线的相互交叉，不容易实现良好的布线。

6）布线规则参数设置[5]。布线规则参数设置主要包括设置安全距离，线宽，布线层等。参数的设置有以下技巧。

技巧一：地线应尽量宽，且最好大面积敷铜，这能在很大程度上改善接地点问题。

技巧二：根据印制线路板中电流的大小来设计电源线的宽度。尽量加粗电源线宽度，以减少环路电阻。

技巧三：通常情况下，信号线宽度设为10mil-15mil（常取12mil），电源和地线宽度设为30mil-50mil（常取40mil）。

7）布线。布线具有若干规则。

规则一：石英晶体振荡器下要大面积覆铜，不应穿过其它信号线，这样才可以使石英晶体振荡器产生稳定的振荡。

规则二：电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线，以减少干扰。

规则三：地线、电源线的走向和数据传递的方向应一致，这样有助于抗噪声能力的增强。

规则四：大面积铜箔应尽量避免，否则，在长时间受热后易出现铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好采用栅格状，这样有利于铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体的排出。

规则五：双层板布线时两面的导线宜相互交叉，以减小寄生耦合[6]。

8）DRC检查。布线设计完成后进行DRC检查，同时确认所制定的规则是否满足实际生产印制板的需求。

3 结论

本设计应用Altium Designer绘图软件完成了基于触摸技术的多功能基准源设计原理图绘制，以及总结了使用该软件设计印刷电路板过程中的注意事项，极大地提高了设计的效率。当然，正确把握设计规则，熟练运用技巧，才能快速地设计出所需的电路板。

【参考文献】

[1]闫胜利.Altium Designer实用宝典：原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2007：78-80.

[2]谷树忠，刘文洲.Altium Designer教程：原理图、PCB设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2010：84-88.

[3]江思敏，胡烨.Altium Designer原理图与PCB设计教程[M].北京：机械工业出版社，2009：57-59.

[4]韩国栋，赵月飞，娄建安.Altium Designer Winter09电路设计入门与提高[M].北京：化学工业出版社，2010：104-110.

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[关键词] 遗传程序设计 粒子群算法 二阶带通有源滤波器 仿真

1.前言

自二十世纪以来，电子电路的生产就是一个非常重要的工业。随着科学技术的发展，电子产品的更新换代进一步加快，现代电子设计技术已进入一个全新的阶段。从中小规模的通用集成芯片构成电路系统，到应用微处理器、单片机构成数字系统，这一过程克服了中小规模集成电路在系统设计中的一些缺点，同时也为电子设计技术提供了一种软件设计的手段。然而，随着大规模、高密度的现场可编程门阵列等可编程逻辑器件的出现，电路的规模和复杂度越来越高，而传统的手工设计、现代电子设计自动化技术（Electronic Design Automation，EDA）都必须依靠多年的电路设计经验和规则来设计电路，这样电子电路设计的一个瓶颈也随之出现。近年来从生物进化中获得灵感的进化型硬件（Evolvable Hardware，EHW），正在为我们揭示一种全新的电路设计方法――电路进化设计。

电路进化设计以进化算法作为组合优化和全局搜索的主要工具, 以电路结构和参数为进化对象，模拟自然进化过程，可不依赖先验知识和规则而探索更为广阔的设计空间，获得新奇的或更好的设计结果，并可望完全实现电路设计自动化，因而成为国际性的研究热点，现已取得重要进展并展现出广阔的应用前景。

2.GP基本理论

GP的基本思想是：随机产生一个适用于所给问题环境的初始群体（即问题的搜索空间），构成群体的个体都有一个评价其解决问题能力好坏的适应度，根据达尔文适者生存原理，基于适应度按概率方式从群体中选出个体进行复制、交叉、变异等遗传操作形成新的个体，从而产生下一代群体，经过一代代繁衍，最终产生一个适应度高的个体，即所给问题的解或近似解。

总结上述过程，GP解决问题的步骤如下：

(1)确定输入及控制参量，主要包括：①确定函数集和终止符集，根据问题域的特点确定问题解决可能需要的函数集合及终止符集合（包括变量和常数）；②确定适应度评价方法，群体中的每个个体是否适应环境影响着其遗传操作，必须设计某种方法评价其适应度；③确定控制参量，如种群大小、迭代次数、交叉概率、变异概率等；④程序运行终止规则，决定何时最终停止运行GP；⑤最优结果确定及其它参数。

(2)随机产生初始群体：依指定的形成规则，随机生成初始群体，即初始解。

(3)循环执行下列各步直到满足终止准则为止：

①运行群体中的每个计算机程序（即个体），并对其进行评价，根据其解决问题的效果为其指定一个适应度值；

②运行下面两个主要操作产生新的计算机程序群体：

i）复制：根据概率准则，选择适应度高的个体复制到新一代种群中。

ii）交叉：随机选择适应度较高的两个个体，并随机交换它们的相应部位（交叉操作），产生新一代个体。

根据情况还可加入一些辅助操作，如变异、倒置等。

(4)当满足停止准则时，把在最后一代中出现的计算机程序（即个体）指定为GP运行的结果，这个结果可能是问题的解或近似解。

3.基本PSO算法

3.1算法原理

PSO算法来自于对鸟群的捕食行为的模拟。设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物，在这个区域里只有一块食物，所有的鸟都不知道食物在哪里，但它们知道当前的位置离食物还有多远，那么找到食物的最优策略就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。PSO算法从这种模型中得到启示并应用于解决优化问题。

在PSO算法中，每个优化问题的解都是搜索空间的一只鸟，称之为“粒子”。所有的粒子都有一个由被优化的函数决定的适应度，每个粒子还有一个速度决定它们飞翔的方向和距离，然后粒子就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。PSO算法首先初始化为一群随机粒子，然后通过叠代找到最优解。在每次叠代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己，第一个是粒子本身所找到的最优解，称为个体极值pbest；另一个极值是整个种群目前找到的最优解，称为全局极值gbest。

PSO算法的这些观点某种程度上可以通过心理学加以解释：在寻求一致的认知过程中，个体往往记住它们的信念，同时考虑同伴们的信念，当个体察觉同伴的信念较好时，它将根据同伴的信念进行适应性地调整。

3.2参数设置

PSO算法一个最大的优点就是无需调节太多的参数，但是算法中的少数几个参数却直接影响着算法的性能及收敛性。目前，算法的理论研究尚属初级阶段，参数设置在很大程度上还依赖于经验。

下面是算法中一些参数的作用及其经验设置。

(1)种群规模P：种群中的粒子总数，一般取2040。试验表明，对于多数问题，30个粒子已足够取得好的结果，不过对于比较难的问题或者特定类别的问题，粒子数可以取到100或200。粒子数目越多，算法搜索的空间范围就越大，也就更容易发现全局最优解，当然，算法运行的时间也较长。

(2)粒子维度D：问题解空间的维度，也称粒子长度，由具体的优化问题决定。

(3)粒子活动范围x：由具体优化问题决定，通常问题的参数取值范围设置为粒子的活动范围。粒子每一维可以设定不同的范围。

(4)最大速度vmax：决定粒子在一个循环中最大的移动距离，通常设定为粒子的范围宽度。

(5)学习因子c1和c2：代表将每个粒子推向pbest和gbest位置的统计加速项的权重。较低值允许粒子在被拉回之前可以在目标区域外徘徊，而较高值则导致粒子突然的冲向或越过目标区域。c1和c2通常等于2，也有其它的取值，但是一般c1等于c2并且范围在0和4之间。

(6)算法终止条件：与GP相似，PSO算法的终止条件一般可以设置为达到最大迭代次数或者满足一定的误差准则。

(7)适应度函数：PSO算法的适应度函数选择比较简单，通常可以直接把目标函数作为适应度函数。当然，也可以对目标函数进行变换，变换方法可以借鉴GP中的适应度函数变换方法。

4.GP算法和PSO算法相结合实现二阶带通有源滤波器的进化设计

4.1 GP进化设计有源滤波器的电路结构

(1)确定函数集和终止符集

建立符合进化设计要求的基本电路单元的模型库，为GP提供函数集，即F=（减法器，减法器，积分器）；将电路中的输入、输出、地作为GP的终止符集，即T=（输入，输出，地）。

(2)建立个体树与电路结构的匹配规则

在GP中，每个个体树与相应的电路结构对应，每个有效的个体树节点都与基本电路单元或输入、输出、地端口相对应，从而使经GP进化产生的最终个体树结构即为符合要求的电路结构。

(3)生成初始群体

随机生成一系列有根的、有节点的、带标记的具有有序分支的树状结构的程序组成初始群体。其中，个体树的根节点从函数集中随机选取，本文限定为函数集中的减法器或积分器；个体树的中间节点从函数集和终止符集中随机选取；叶子节点从终止符集中随机选取。

(4)计算个体的适应度

4.2适应度评价方式

由于GP部分主要进化设计有源滤波器结构，因而本文将传递函数作为判断电路结构是否满足设计要求的依据，即将当前个体（即电路结构）的传递函数与目标有源滤波器的传递函数的吻合程度作为GP的适应度评价标准。

4.3 PSO算法优化GP进化设计出的有源滤波器电路结构的参数

用GP进化设计出有源滤波器的电路结构后，接下来就要应用PSO算法去优化此电路结构的参数。

(1)初始化粒子群：将由GP进化设计出的最优有源滤波器电路结构的电阻、电容当成PSO算法的粒子，在定义空间Rn中随机产生100个粒子x1，x2，…，x100组成初始种群X(t)，并随机设定各粒子的初始位置X和初始速度V以及各粒子的位移变化。同时将学习因子c1和c2均设置为2；粒子维度D为待优化的参数个数；最大进化代数Tmax将依电路结构的复杂程度而定，电路越复杂，Tmax越大。

(2)评价种群：对群体中的每个粒子，计算其适应度。适应度函数依具体问题而定，本文用多目标评价方式。

(3)对每个粒子，将其适应度值与自身最优值pbest（个体极值）作比较，若当前值比pbest更优，则置pbest为当前值，并置pbest位置为n维空间中的当前位置。

(4)对每个粒子，将其适应度值与种群最优值gbest（全局极值）作比较，若当前值比gbest更优，则置gbest为当前值，gbest对应的序号为当前粒子序号。

(5)根据(3-1)和(3-2)式更新粒子的速度和位置，产生新一代种群。

(6)检查结束条件，若满足，则结束寻优；否则转第二步。

5.仿真及实验验证

以T(s)=（ωn，ξ为任意常数）作为目标函数，利用GP进化设计二阶高通有源滤波器的电路结构，多次运行程序，有很多个电路结构都能达到此设计目标，从中选取所用模块较少的电路结构。

6.结论

本章主要介绍了GP和PSO算法相结合实现有源滤波器的进化设计的思想、方法、步骤，完成了二阶带通滤波器，得到了比较令人满意的结果。由于各种原因，针对高阶有源滤波器的进化设计只进行了初步研究，今后的研究将进一步扩大电路设计类型和规模，针对模拟电路的进化设计建立一个进化平台还需要做很多工作。

参 考 文 献

[1]Garis H D．Evolvable Hardware：Genetic Programming of a Darwin Machine [C]．In：Albrecht R F，Reeves C R，Steele N C，eds．Proceedings of Artificial Neural Nets and Genetic Algorithms．Innsbruck，Austria：Springer Verlag，1993．441-449．

[2]Thompson A，Layzell P，Zebulum R S．Explorations in Design Space：Unconventional Electronics Design through Artificial Evolution[J]．IEEE Transactions on Evolutionary Computation，1999，3(3)：167-196．

[3]赵曙光，杨万海，刘贵喜．基于进化的电路自动设计方法[J]．电路与系统学报，2002，7(1)：72-78．

篇8

【关键词】高中实验；电路知识；电路设计

引言

高中电学实验是同学们较难掌握的一系列知识点。很多同学反映由于知识结构不清晰，对基础知识的把握不到位，往往对于老师讲过的内容不能形成一个系统整体的认识，而对其中需要注意的细节问题又经常做不到全面考虑，导致理论知识不清晰，实验设计和操作就不容易把握。因此，学习理解电路设计实验要从练习掌握必要的知识，熟悉常见问题，关注实验设计的思路和步骤入手。在诸多电学实验中，电阻的测量是一个主要实验方面，下面就举例陈述测量电阻中的一些知识问题。

1.电路实验需要的基本知识

1.1选择合适的元件

在进行电路实验的过程中，首先要选择适合的元件，其中包括元件的量程、型号。主要是电源和电表的选择，电源和电表的量程选择首先考虑要大于电路的最大电流或电压，然后在不超过量程的前提下，尽量选择小量程以提高精确度。

1.2准确把握各个电路元件的使用方法和规则

电表的读数是一个易错点，因其表盘的特殊性，两个量程的读数在同一表盘上，在读数时容易看错量程和估读值。滑动变阻器的使用也需要注意，下面两个加上面一个接线柱是分压接，一下一上是限流接，分压时使用的是全部电阻，限流时只使用部分电阻，其余是闲置的。而由于电流表的分压作用和电压表的分流作用，电表的读数并不总是准确的，在不可避免的误差前，我们需要通过计算分析，选择误差产生较小的方案，于是电流表什么时候需要外接，什么时候需要内接，都需要具体分析。在待测电阻阻值远小于电压表的内阻阻值时，可以忽略电压表的分流作用，选择电流表外接电路，而在待测电阻阻值远大于电流表内阻时，电流表的分压作用就可以忽略，于是选择电流表内接电路。

1.3熟悉电路构成，加强对特殊电路的记忆与理解

伏安法测电阻的电路是非常重要的一个知识点，其中涉及分压电路的选择和使用。这里展开分压式的适应情况和不适情况，一般来说，限流式电路更为简单有效，而分压式电路误差更小，用途更广，在一些特定情况下必须要选择分压式电路设计。必须选择分压式电路的情况有：当要求电路中的电压或电流从0变化时；当待测电阻的估计值远大于滑动变阻器的最大量程时；当限流的最小值仍大于待测电阻的额定最大值时。在这些情况下都是必须选择分压式。而在没有这些特殊要求时，一般来说限流分压都是可以选择的。

1.4常用测量方法

测电阻的常用方法主要有：欧姆表，替代法，伏安法，比例法，半偏法等。欧姆表是最直接的方法，在多个电阻的测量中最常用。替代法也是很有效的一种方法，基本思想是等效替代，可以采用电流等效也可以采用电压等效原则，在有合适电阻箱的情况下可以很容易测量出电阻值。伏安法是最常用最重要的一种方法，原理是欧姆定律，这种方法可以有多种变式，如可以选择限流法和分压法电路，在只有一个电表时，可以用标准电阻代替，如果已知了电表内阻，还可以把电流表当做电压表使用，把电压表当做电流表使用而只需进行一些简单变式计算。比例法的思想在许多地方都有应用，如曹冲称象，原则是在已知标准量的情况下，找出待测量与标准量之间的比例关系，就可以得出待测量的具体数值。

2.电路设计的一般思路

2.1确定实验目的

在实验设计前，前提是首先确定实验目的。实验目的给了设计者一个目标和方向，更是检验实验是否成功的对照标准，没有目的的实验是没有意义的。

2.2选择设计方案

根据实验目的，依据相关的物理知识选择实验方案并作出原理结构图。在设计实验方案的过程中要进行相关的计算分析，这些对于电路的结构设计，元件的选择都是必要的。包括电流表应设计内接还是外接，滑动变阻器应采取分压式接法还是限流式接法，路结构原理选择伏安法还是半偏法等等。

2.3选择合适的实验器材

确定了实验的目的和方案，就可以依据计算和设计方案进行器材的选择了。器材的选择要遵循几个原则，分别为安全性原则，准确性原则，操作实用性原则。安全原则主要是避免烧毁现象，需要考虑到哪些部分可能会出现烧毁现象，一般最主要的是看量程和电路结构的合理性。准确性原则是为了保证实验结果的最大可靠性，尽量减少实验器材引起的误差，包括选择更精确的量程电表。操作实用性原则是指实验设计方案需要考虑实际操作，如滑动变阻器的选择中，当使用限流式电路时，滑动变阻器的一部分是使用不到的，这时候如果选用不适合的滑动变阻器，就会出现电阻变化不易控制的问题，这种问题在设计方案时是不需要考虑的，但在器材选择中就需要注意了。

3.结束语

电路实验的设计是对于电学知识的一种检验也是一种深化。实验设计的前提是知识的掌握，而设计的成功需要同学们在头脑中形成一个清晰的知识脉络。实验设计是对基础知识的一个整体反映，设计的思路是来源于知识的网络结构的。正如你需要了解电路结构和原理，才能去选择合适的方法，你能够计算出测量的理论数值，才能够去选择合适的实验器材。因此，实验设计首先要扎实知识基本功，这一点是同学们进行实验设计的过程中需要时刻牢记的。

【参考文献】

[1]王心应.高中物理电学实验中的电路设计分析[J].中学生数理化（教与学），2015-04-20

篇9

关键词: Protel DXP; 印制电路板;设计;制版

电路设计的最终目的是生产制作电子产品，各种电子产品的使用功能与物理结构都是通过印制电路板来实现的。印制电路板(PCB)是电子设备中的重要部件之一，其设计和制造是影响电子设备的质量、成本的基本因素之一。因此，印制电路板(PCB)设计质量直接影响着电子产品的性能。2002年7月底由Altium公司的Protel DXP电路设计软件，由于其良好的操作性等优点已成为电路设计者的新宠[1]。本文以Protel DXP为设计平台对PCB板主要设计步骤及其内容进行了分析，以提高电路板备板的制作效率及可靠性。

一.原理图设计

原理图设计是整个Protel工程的开始，是PCB文档设计乃至最后制版的基础。一般设计程序是:首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小，即建立工作平面;然后从元器件库中取出所需元件放到工作面上，并给它们编号、对其封装进行定义和设定;最后利用Protel DXP提供的工具指令进行布线，将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，对整个电路进行信号完整性分析，确保整个电路无误。

1. 电路板规划

电路板规划的主要目的是确定其工作层结构，包括信号层、内部电源/接地层、机械层等。通过执行菜单命令Design\Board Layers，在打开的对话框中可以控制各层的显示与否，以及层的颜色等属性设置。如果不是利用PCB向导来创建一个电路板文件的话，就要自己定义PCB的形状和尺寸。绘制时需单击工作窗口底部的层标签，再由Place\Keepout 命令来单独定义。该操作步骤实际上就是在Keep Out Layer(禁止布线层)上用走线绘制出一个封闭的多边形，而所绘多边形的大小一般都可以看作是实际印制电路板的大小。

2. 元器件的选择

对元器件的选择要严格遵循设计要求。在Protel DXP软件中，常用的分立元件和接插件都在软件分目录Library 下Miscellaneous Device. Intlib和Miscellaneous Connectors. Intlib 两个集成元件库中。其它的元件主要按元器件生产厂商进行分类，提供了型号丰富的集成库。但是有时候出于个人设计的需要，设计者无法在库文件中找到完全匹配的元器件，此时就只有通过制作工具绘制所需元器件。需要注意的是，绘制元件时一般元件均放置在第四象限，象限交点即为元件基准点。

3.元器件的布局

Protel DXP 提供了强大的自动布局功能，在预放置元件锁定的情况下，可用自动布局放置其他元件。执行命令Tools\Auto Placement\Auto Placer，在Auto Place 对话框中选择自动布局器。Protel DXP提供两种自动布局工具:Cluster Placer 自动布局器使用元件簇算法，将元件依据连接分为簇，考虑元件的几何形状，用几何学方法布放簇，这种算法适用于少于100 个元件的情况;Global Placer 自动元件布局器使用基于人工智能的模拟退火算法，分析整个设计图形，考虑线长、连线密度等，采用统计算法，适用于更多元件数量的板图。自动布局较方便，但产生的板并不是最佳方案，仍需要手工调整。

3.元器件的连线

连线很讲究原则和技巧，走线应尽量美观、简洁。一些设计人员在初期使用Protel DXP进行设计时，只在表象上将元件连起，而出现“虚点”。导致在生成网络报表时出错。好的设计习惯是打开电气网络，使连线可以轻松连接到一个不在捕获网络上的实体;打开在线DRC，监控布线过程，违反规则的设计被立即显示出来。完成预布线后，为了在自动布线时保持不变，需要对预布线锁定。打开菜单Edit\Find Similar Objects，选择要锁定的对象。自动布线与交互式布线相结合可以很好地提高布线成功率和效率。自动布线的结果为手工调整提供参考。

二.电路仿真分析

所谓仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工作过程，并计算出在给定条件下电路中各关键点的输出波形。电路的仿真是否成功取决于电路原理图、元器件模型的仿真属性、电路的网表结构以及仿真设置等因素。仿真时首先通过Analyses setup对话框设置仿真方式并制定要显示的数据。该软件提供了解种分析仿真方式，包括直流工作点、直流扫描、交流小信号、瞬态过程、噪声、传输函数、参数扫描等。设置好仿真环境后单击OK按钮，系统自动进行电路仿真并显示分析结果。通过对仿真结果的分析，设计者可以对电路进行合理的调整，直到完全满意。最后将设计好的原理图通过打印输出，以供制版使用。

三.制版工艺流程

1.双面制板工艺流程(简述)

电路设计覆箔板下料表面处理打印电路图热转印补缺 腐刻(浸泡在1:4FeCl3溶液中腐刻)去膜涂助焊、防氧化剂 钻孔焊接元件检查调试 检验包装成品。

2.双面制板工艺流程(简述)

双面覆铜板下料裁板数控钻导通孔检验、去毛刺刷洗化学镀(导通孔金属化) (全板电镀薄铜) 检验刷洗网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影) 检验、修板线路图形电镀电镀锡(抗蚀镍/金) 去印料(感光膜) 蚀刻铜(退锡) 清洁刷洗网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热固化绿油) 清洗、干燥网印标记字符图形、固化(喷锡或有机保焊膜) 外形加工清洗、干燥电气通断检测检验包装成品。其详细说明这里不再赘述。

3.需要注意的问题

在初次表面处理时，需要用P240-320之间的水沙纸打磨覆铜表面，去除表面的氧化层。并且用5%FeCl3溶液浸泡1分钟，以增强印墨的粘敷力。腐刻溶液的温度最好在25℃左右。助防氧化剂是把松香按照:10的体积比，放入95%的酒精中浸泡24h以上形成的。钻孔时，按所装元件脚的直径φ+0.2mm，选择最接近标称值的钻头。

四.结束语

在集成电路不断发展的时代，计算机辅助技术(CAD)突飞猛进。熟练掌握Protel DXP软件，将极大提高电子线路的设计质量和效率。但要设计和制作出一块优良的PBC板，还需要不断的学习和实践。因此，广大电子工程设计人员要在不断的实践中去体会，通过总结经验努力提高设计和制作水平。

参考文献:

[1] 王廷才，王崇文. 电子线路计算机辅助设计Protel 2004[M]. 北京: 高等教育出版社，2006.

篇10

【关键词】半桥电路；死区时间；阈值电压；比较器；正反馈

A kind of automatic detection and setting dead time circuit designing

HUANG Haiping，JIANG Yanfeng

（Microelectronic research center,North China University of Technology,Beijing 100144,China）

Abstract：This paper introduced a kind of controller circuit which can automaticly set dead time.The controller works in this way that compares the voltage difference between gate and source of MOS tube to threshold voltage.The results of comparing each controls another gate in order to guarantee that the half bridge can not be turned on at the same time.The circuit with positive feedback is used here as to speed up the comparison of the response signal.At last,in the perceptual load,here gives the simulation and experiment results of dead time under the threshold voltage of 1.2V.The simulation results was realized by CSMC 0.5μm CMOS technology.the controller circuit is designed simply,and extra dead time need not to be setted up in the driving circuit.

Key words：Half bridge circuit；Dead time；Threshold voltage；Comparator；Positive feedback

1.引言

高效率的DC-DC变换器得到已经广泛应用，比如手机，个人电脑，通讯设备等。开关的损耗包括：传导损耗、开关损耗、直通损耗等。可以通过优化和改善功率管的尺寸和驱动电路来减小前两者的损耗。为了减小第三种损耗，就必须设法缩短死区时间[1]的大小。死区时间是为了使上下桥臂不会因开关延迟而导致同时开通而设置的一个时间段。因此，死区时间的设置，可以有效消除两个开关管之间延迟效应，避免直通损坏模块。如果设置的死区时间较大，电路工作虽然安全可靠，但是会引入输出波形的失真，从而影响输出效率；死区时间较小，输出波形较好，但是降低了电路可靠性，所以死区时间一般为μs级。死区时间的设置如果由定时器或软件延时产生，会增加定时器或CPU的负担。死区时间的存在，使占空比调节范围缩小，降低了变换器动态性能；此外，因为开关器件的关断时间随环境温度、工作电流等因素变化很大，致使死区时间大小不容易掌握。

2.电路设计

2.1 死区时间设置规则

功率MOS管有寄生的二极管，称为体二极管，其恢复时间与存储在体二极管内的多余电荷成正比。理论上，在保证电路工作可靠的情况下，死区时间越小越好，设置时间短，体二级管的导通时间就小，则其消耗的功耗也就小。死区时间大时，模块工作更加可靠，但是体二极管导通时间就大，减小了电路的输出效率。一般把死区时间的大小设置在4%到一个周期之内，遵循规则如下：

（1）

式（1）中，TD是死区设置时间，Td(off)为开关MOS管的关断延迟时间，Tf为开关管的下降时间，Td(on)为开关管的开通延迟时间[2]。由于工艺厂商的不同，器件本身结电容放电时间，驱动参数有所不同，实际电路中选择TD值为2（Td(off)+Tf）。图1为半桥基本电路结构。

2.2 RC设置的延时电路

在目前的大多数开关电源芯片电路中，设置死区时间的常用方法是：对输入驱动信号进行一定的延时，使得高电平信号或低电平信号在一个周期时间内不完全重合，然后再与先前驱动信号进行一定的逻辑运算得到所需的死区时间。由此可以得出，延时单元在设置死区时间当中，是一个很重要的环节。典型的RC电路架构如图2所示。通过设置不同和R值或C值可以得到不同的死区时间。但是设置较大电容C值时，会增加CMOS反向器的栅极的延时，为了减小这个延时的影响，一般选取的电容值较小，而只是通过较大范围改变电阻R值。

2.3 死区时间控制电路设计

图3就是控制电路的基本框架图。半桥电路驱

动的负载为由LCR组成的谐振网络。谐振阻抗的公式如下：

（2）

所以谐振网络既可以工作在容性阻抗下，也可以工作在感性阻抗下。

当（3）

驱动负载表现感性。反之，则表现为容性。上下桥臂的MOS管的栅极各加入一个开关管。当MOSFET的栅源电压小于阈值电压，MOSFET就工作在截止区，不导通的状态，此时另一个桥臂的MOS管才开始被驱动，因此就能消除上下桥臂同时导通，避免器件损坏。其具体的工作原理是：假设MOSFET的阈值电压为Vth。图3中M1，M2都是NMOS管，都选用NMOS管的原因是其阈值电压就相同，就可以避免了后面设置比较值的时候需要两个不同基准电压。VH，Vf分别为M1管的栅极，源极的电势，当VH减去Vf得到的电势差小于M1的阈值电压时，M1管就不工作。其中，VH和Vf的电势差通过图4电路中I1运算放大器搭建的减法电路来实现。因为电阻比例值为1，所以I1的输出端的V1的大小为（VH-Vf），其值作为I2比较器的正端输入，负端为半桥电路MOS管阈值电压大小的直流电压。如果（VH-Vf）电压值大于Vth,I2比较器的输出端VLc输出高电平，图3中M4开关管就导通，M2功率管就不工作。

（VH-Vf）电压小于Vth,I2比较器的输出端VLc输出低电平，M2的栅极控制信号VL就由下桥驱动电路来驱动。同理，下桥臂M2管的工作方式与M1管的一样。当VL的电势一直大于M2管的阈值电压时，VHc始终处于高电平，M1的栅极就处于低电平，不工作。仅当VL的电势小于M2管的阈值电压时，VH的电势才由上桥驱动电路来控制。综上分析的结果，M1和M2就不可能有同时导通的情况出现，这样，也没必要另外设置死区时间，从而来避免总线Vbus和地之间短路的情况发生。

2.4 比较器加速电路的设计

基于上面的原理：要求比较器[3]的速度较快，精度较高。图5电路为一种锁存结构，其采用正反馈特性[4,5]加速比较过程。该锁存结构是由时钟控制的电路结构，时钟频率可取自半桥电路的驱动频率（振荡器的频率）。锁存电路为两级放大电路，第一级为MM3和MM4组成的差分结构，输出为b和a；第二级由MM2和MM1组成的差分结构，输出为单端输出d端。其工作原理如下：当输入信号Latch_clk低电平时，MF1，MF2两个NMOS管栅压为低电平,两管截止，不导通。a，b两点被MB2，MB1拉为高电平，MM1和MM2也不工作。由于MW3和MW4两管导通，所以d，c都为高电平。当Latch_clk信号从低电平转为高电电平后，MF1，MF2两管导通，如果此时有2nd_o2>2nd_o1,则I(2nd_o2)>I(2nd_o1),从而b点电位比a点电位下降的快，导致MB1开通的速度更快，使得a点电位上升，进而促使MN2比MN1开通的速度快，进一步的降低b点电位。这是其中的一个正反馈过程。另外，因b点电位迅速下降，MM2电流增加，a点电位上升，使得MM1电流减小，d点电位开始拉高，c点电位开始拉低，于是MW1电流开始减小，MW2电流开始增大，这又是第二个正反馈的过程。总而言之，该结构采用了两级正反馈结构加速比较过程。而比较器电路采用普通的二级比较器电路[6]。

3.仿真结果

图6代表的是MOS管的栅源电压和漏电流的关系曲线图。从图中的仿真结果可以得出，MOS管的阈值电压为2V左右，所以在图4中设置的阈值电压Vth可以参考这个值，但是为了防止MOS管的亚阈值状态的出现，图4中Vth比较值设置为1.2V（甚至可以更小点）。

在图3电路的仿真过程中，半桥电路的驱动频

率f选择为80KHz，电感值L=10μH，电容=2200pF,电阻R=50Ω，得到的仿真结果如图7和图8所示。图7中，上面的曲线代表的是图3中上桥臂的VH电压，下面的曲线为图3中的下桥臂的VL电压。从图7中可以读出死区时间为：

Tdead=(7.2829-6.4785)μS

=0.804(μS)

在图8中，上面曲线代表的是上桥臂栅极电压VH，下面的曲线为栅极控制信号VHc电压信号。从图8的结果来看，VHc高电平时把VH的电势拉到最低电平。在图9中，上面曲线代表的是下桥臂栅极电压VL，下面的曲线为栅极控制信号VLc电压信号。从图8的结果来看，VLc高电平时把VL的电势拉到最低电平。在同一时刻，结合图7-9的仿真结果，死区时间完全只由器件栅极上升延迟和下降延迟决定的。

4.实验验证

为验证所设计电路的正确性，搭建了实验电路板（有些器件模型选择与仿真有点出入），并得出了实验波形如图10所示。在图10中，共显示了四路波形：VH，VL，VHc，VLc。上面两条曲线分别代表是VH，VL波形（每格2V）；下面两条曲线代表是VHc,VLc波形（每格5V）。从图中可以得出：VH和VL相交的电压不超过1.2V,满足设计要求。

5.结论

在半桥电路中，利用控制器电路不断的检测上下桥的栅源电压，当栅源电压差值小于阈值电压时，MOS管不导通，此时，另一桥臂的MOS管的栅压才受驱动电路控制，栅极电压才开始上升。由此，可以完全避免上下桥臂同时导通的现象出现。从死区时间的结果来看，感抗负载下，死区时间的占空比都不超过10%。此外，通过设置较小的阈值电压，可以得到更小的死区时间。控制电路设计简单，比较器中添加正反馈特性，主要是增强反应速度，减小比较器电路延迟时间。

参考文献

[1]Chang J S,Tan M T,Cheng Z H.Analysis and design of power efficient class D amplifyer output stages[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems.2000,47(6):897-902.

[2]章建峰.逆变器死区时间对输出电压影响分析[J].电力电子技术.2007,41(8):32-33.

[3]Allen.CMOS Analog Circuits Design[M].BeiJing:House Electronics Industry,2002(2):32-33.

[4]吴晓波.一种高精度动态CMOS比较器的设计与研制[J].电路与系统学报,2007,

12(4):120-121.

[5]Fayomi C J B,Roberts G W,Sawan MLow power/low voltage high speed CMOS differential track and latch comparator with railto-rail input[C]ISCAS.Geneva,Switzerland,2000:653-655.

[6]Tomas Reiter,Dieter Polenov,Hartmut and Probstle,PWM Dead Time optimization Method for Automotive Multiphase DC/ DC-Converters[J]IEEE trans,Power Electron,2010,25(6):1604-1609.

基金项目：教育部新世纪优秀人才计划资助（2008）。

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