转印刷电路板设计回顾

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电路板级仿真的必要性            作者: William J. Wignall               

1 E8 b# y! f  |0 L0 N: ^电路板级仿真对于今天大多数的设计而言已不再是一种选择而是必然之路。EDA工业是全球电子工业快速发展的关键促进因素，其市场规模高达1万亿美元，大部分销售额由几个大公司垄断(用EDA市场的标准来衡量)，售出的工具主要集中在前沿的仿真和集成电路芯片(ASIC、 SOC等等)设计。
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然而，大部分电子设计工程师只设计印刷电路板，而不设计集成电路。用于PCB设计的EDA工具软件的销售量只占整个EDA销售额的很小一部分。造成这种反差的原因是许多电路板设计工程师不接受仿真工具，尽管IC工程师将仿真视为设计过程的一个基本步骤。本文分析了造成这种差异的原因，并介绍了EDA工具发展迅速的原因及工程师应该予以关注的领域。
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7 }  a/ f8 j6 F; Z; @3 \) I逃避电路板设计仿真的原因               

电路板设计中没有普及仿真的原因主要有三个：使用复杂、缺乏仿真模型和成本太高。首先，到目前为止，PCB仿真软件的使用仍然相当复杂，因而在电路板设计工程师中形成了“仿真过于复杂”的观念。其次，许多电路的仿真模型无法找到，因此要仿真完整的电路几乎没有可能。例如，如果PCB上有200个元件，其中193个元件可以仿真，而剩下的7个关键元件却无法仿真，那么仿真还有什么意义呢？更重要一点，仿真软件的价格通常很昂贵。

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6 b, @/ }$ L- x- F$ n% h1 v! u8 r过去，PCB性能要采用一系列仪器测试电路板原型(通常接近成品)来评定。电路的复杂性增加之后，多层板和高密度电路板出现了，人们开始用自动布线工具来处理日益复杂的元器件之间的互联。此后，电路的工作速度不断提高，功能不断翻新，元器件之间连线的物理尺寸和电路板的电特性日益受到关注。

半导体技术的发展对PCB设计的影响很大。数字器件复杂度越来越高，门电路的规模达到成千上万甚至上百万，现在一个芯片可以完成过去整个电路板的功能，从而使相同的PCB上可以容纳更多的功能。可编程芯片已成为许多电路板设计必不可少的器件。到90年代末，PCB已不仅仅是支撑电子元器件的平台，而变成了一个高性能的系统结构，它的体积更小、速度更快、性能更好、成本更低。
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电路板级仿真的发展动力               

从根本上讲，市场是电路板级仿真的强劲动力。在激烈竞争的电子行业，快速地将产品投入市场至关重要，传统的PCB设计方法要先设计原理图，然后放置元器件和走线，最后采用一系列原型机反复验证/测试。修改设计意味着时间上的延迟，这种延迟在产品快速面市的压力下是不能接受的(图1)。
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! |6 ~/ i# ~+ k6 N0 z6 _至今为止，电路板设计工程师选择的工具还仅仅局限在电路图设计、PCB布线和自动布线工具。当仿真模型完整，设计工程师愿意利用仿真工具时，工程师偶然也会采用仿真软件进行设计，但通常只局限在一部分电路。               

8 J% I3 P) J4 ~- |; E0 H“第一时间推出产品”的设计目标不只是一句广告词，事实上，这是生死攸关的竞争需要。在产品设计初期识别、预防和改正设计错误，可以防止电路板出错，这种操作模式比以往任何时候都至关重要，PCB仿真就是最好的方法之一。               
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& b) s0 M7 e3 p& y9 i' M, ZEDA供应商的反应               
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. |9 j* Y- o/ u; }6 eEDA供应商根据PCB设计的发展和电路板设计工程师的需要，采取重大步骤消除妨碍PCB仿真软件应用的障碍，从而使设计工具操作更方便、模型更完备、成本更低。EDA供应商正采取的措施如下：               
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原理图建立和仿真软件的融合。PCB工程师掌握原理图设计软件及其使用。从技术上看，要求软件必须能自动地生成网表，现在的软件能够使PCB设计工程师创建电路图并且自动输出仿真结果。也许有人会问，还可以再简化一些吗？画图的过程是不能省略的，为什么不采用同时能自动绘出仿真电路的电路图设计工具呢？因此，通过电路图设计工具和仿真工具的融合，使工程师不必考虑低级编码过程，从而避免为学习SPICE仿真工具付出过长的时间。
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为了提高操作的简便性，向PCB仿真程序加入新的功能一直是大多数EDA供应商努力的目标。其实现方法是在熟悉的虚拟仪器上显示仿真结果，将元器件按零件代码文件来组织并进行“无模型”操作，此时不需要了解器件的放置和连线模式，因为智能化的工具明白你的设计意图。例如，ElectronicsWorkbench仿真工具Multisim的功能包括示波器、频谱分析仪、信号发生器和逻辑分析仪等设备，其外观及特征与真实的电子测量仪器没有区别。这些功能有可能改变历来抵制仿真软件的工程师的观念(图2)。
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仿真模型的来源增加了。除了EDA工具本身具备器件库(优秀的仿真软件供应商提供其拥有的大部分或全部器件模型)之外，器件制造商的网站是设计模型的巨大来源，同时大量新兴的网络“元件信息公司”也能为电路设计提供更多的仿真模型。从网上器件数据库，设计工程师可以从众多的厂商那里下载数以百万的元器件模型并进行选择。将EDA公司的工具和元件信息公司提供的模型相结合，可以满足电子设计工程师的即时信息需求。当你选择设计工具时，要注意评估软件是否具备这些功能，有些软件甚至具备因特网设计共享的能力。
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4 P: ^! H" ~0 b! [混合信号设计的普遍性增强。象SPICE这样的通用仿真技术适用于模拟电路和某些数字电路，这包括中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)，但是，要用SPICE在晶体管和门级对相当复杂的数字芯片(微处理器、存储器、FPGA、cpld等等)建模是不可能的，这些芯片的仿真模型通常要用硬件描述语言如VHDL或Verilog来编写，这些编程语言能完美地描述复杂器件的功能，相对于描述实际晶体管的行为来说，复杂性大为降低。事实上，许多可编程芯片都用VHDL 或Verilog语言进行功能设计，其编码可用于功能仿真。

目前，所有仿真技术已经可以集成在一起实现协同仿真，在单一集成环境下，设计工程师可以获得总的仿真结果。不同仿真引擎的接口和通信(SPICE、VHDL、Verilog、C代码等)对工程师是不透明的，他们只需关心过去用传统仿真软件无法仿真的芯片模型。              

# \% n2 g7 F4 R6 W现在，采用基于SPICE、VHDL、Verilog               或C代码描述的模拟和数字器件协同模型，电路板上所有器件的仿真都可以实现。有史以来工程师第一次能够同时仿真电路板上所有的元器件，仿真过程与真实的测试过程相同。协同仿真为包含FPGA和CPLD的电路板提供了一种理想的测试工具(图3)
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仿真软件的成本高昂妨碍电路板设计工程师对工具的使用，但是目前性能卓越的PCB和PLD仿真软件价格已经低于5千美元。软件工具的变革，使PC硬件的数量按指数规律增加，但价格反而越来越低。软硬件成本的降低实际上已经消除了PCB仿真的瓶径。               

6 {/ Q' t" [# R% |/ ?总结               

PCB设计软件的发展缩短了设计周期和电子产品推向市场的时间，现在许多电路板设计工程师已经不再抵制采用仿真工具，他们认为仿真与建立原理图及布线一样至关重要。竞争迫使EDA供应商不得不提供操作更简便、功能更多、成本更低的软件。               
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/ L  k* e6 k2 ~) g: Z" r. C" RPCB设计领域下一个技术飞跃很可能是协同仿真软件的应用，协同仿真软件使得基于HDL模型的数字器件可以和模拟元件以及基于SPICE模型的小规模数字芯片同时仿真，这些器件都是同一块PCB上的部件。网上EDA元件信息的增多有助于从网络上及时下载包括仿真模型在内的元件数据，这是加速PCB仿真发展的重要条件。

/ x- q1 n9 L0 l  d; q$ dWilliam J. Wignall是Electronics               Workbench公司总裁和COO，他有12年的电子行业管理经验。