工程師技巧：如何將原理圖符號改得簡潔明了

　　使你的原理圖符號能夠讓人理解非常重要。有時用CAD軟件包中預(yù)先做好的符號就可以了，但大多數(shù)符號并不太理想。CAD軟件包含的上萬種符號只是你重新繪制它們的基礎(chǔ)。好的原理圖應(yīng)該有可預(yù)測的信號流向。雖然許多半導(dǎo)體公司賺了很多錢，并提供很多支持，但很多時候他們專注于芯片內(nèi)部，而做不到正確的原理圖流向。

　　在我的上一篇文章的評論欄中，有很多關(guān)于繪制原理圖符號的討論。使你的原理圖符號能夠讓人理解非常重要。有時用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件包中預(yù)先做好的符號就可以了，但大多數(shù)符號并不太理想。請確保你的軟件包能方便地創(chuàng)建符號，因為你可能得重新繪制每個單獨元件，以及創(chuàng)建新的元件。CAD軟件包含的上萬種符號只是你重新繪制它們的基礎(chǔ)。

　　好的原理圖應(yīng)該有可預(yù)測的信號流向。這個流向要求輸入部分位于左邊和上邊，輸出部分位于右邊和下邊。當(dāng)然這并非鐵板一塊，但如果你希望其他工程師一眼就能理解你的原理圖，遵循這個規(guī)則就非常重要。如果我高聲對你喊叫，“區(qū)別什么有做這樣？”這種語法結(jié)構(gòu)顯然讓人難懂，但如果我按從右到左的順序說，“這樣做有什么區(qū)別？”那么你馬上就能理解了。雖然許多半導(dǎo)體公司賺了很多錢，并提供很多支持，但很多時候他們專注于芯片內(nèi)部，而做不到正確的原理圖流向（圖1）。

圖1：目前許多公司畫的原理圖符號模仿的是元件的引腳圖，而不是信號流向。

　　圖1中的六反相器U1不是很實用。它將6個反相器合成在一個符號中，并且左邊和右邊都有輸入輸出。引腳長度也不需要那么長。U2這個符號稍微好一些，輸入都在左邊，輸出都在右邊。像我這樣一把年紀(jì)的人不喜歡彩色背景，因為經(jīng)過六次黑白拷貝黃色會變成黑色，從而讓你無法看清任何東西。我創(chuàng)建的U3由不同元件組成（異構(gòu)元件），包括6個相同的元件和表示電源與地的第7個元件。排阻RP1是非常愚蠢的畫法，當(dāng)這些電阻應(yīng)該處于原理圖上不同位置時很容易把原理圖弄得一團糟。RP2顯示了異構(gòu)元件在這種時候的作用。一些半導(dǎo)體公司采用ANSI符號畫邏輯器件，這顯然是由缺乏分析的線性思維的人發(fā)明的，而不是模擬工程師眼中的圖形化思維（圖2）。

圖2：許多工程師都不喜歡ANSI/IEEE邏輯符號畫法，這些符號簡直是非徒無益，而又害之。顯示實際的邏輯符號稍好一些。CAD軟件包中附帶的元件基本上是沒有用的。較好的做法是將元件一分為二。更好的做法是將電源獨立出來，這樣就不會弄亂信號流向。模擬工程師最想要的是在元件內(nèi)部稍微畫一些能表示其功能的圖案。

　　對于多元件封裝來說（比如許多邏輯門），原理圖符號需要分解開來，因為你很少會在原理圖的同一個地方使用全部這些元件。這個原則同樣適用于雙路或四路運放。元件符號可以采用德·摩根等效符號（圖3）。我非常敬佩那些能夠通過布爾表達(dá)式來理解電路工作的工程師，但我還是喜歡圖形化的表達(dá)方式——通過圖形可以想象位于D鎖存器中的比特，或者多路復(fù)用器中斷言給定輸入的引腳。

圖3：早在1995年，OrCAD 9就允許用德·摩根等效符號表示與非（NAND）門。AlTIum/CircuitStudio可以讓用戶給元件分配不同的“模式”完成相同的任務(wù)。如果你想畫一個“引腳上負(fù)下正”模式的運放符號就非常方便。若是沒有等效符號，如果你想垂直翻轉(zhuǎn)一個元件，也會把正電源放到下邊，把地放到上邊去。通過調(diào)用繪制的德·摩根等效符號，你可以交換輸入引腳，同時保持電源和地的位置不變。解決這個問題的另外一種方法是制作一個具有獨立電源的異構(gòu)元件（U6）?，F(xiàn)在你可以垂直翻轉(zhuǎn)運放，將負(fù)引腳放到上面來。

　　某個年代的原理圖程序出現(xiàn)于這樣一個時期：PCB上大約有40個14引腳的邏輯芯片，每個芯片配一個去耦電容，再加上一個卡緣連接器。在1985年，DOS OrCAD甚至不能畫三角形。這是那個年代的局限，也是那個年代需要擔(dān)心的事。當(dāng)時許多公司覺得PCB上只有一個電源，即VCC（兩個“C”代表“公共集電極”，因為所有這些邏輯門都饋送電源給許多晶體管的集電極）。因此PCB只需要VCC和地。CAD公司的程序員甚至認(rèn)為不需要在芯片上顯示電源引腳。他們只是發(fā)明了“零長度”引腳，然后版圖設(shè)計程序會將所有相同名字的引腳連接在一起。程序員認(rèn)為工程師使用最后生成網(wǎng)絡(luò)表的原理圖簡直太蠢了。

　　說到地，“公共端”或“回流端”其實更貼切，除非你的電路連接到墻上插座的大地引腳（圖4）。我承認(rèn)這只是個人喜好，但我喜歡美國風(fēng)格的電源和電阻符號，在晶體管和MOSFET上有個圓圈，且MOSFET清楚地指示了N溝道或P溝道類型。

圖4：地、電源、電阻、晶體管和MOSFET等各種元件符號。

　　我碰到過一位教授，如果他看到你在汽車收音機原理圖上有大地符號，會給你不及格的判定。汽車底盤是一種不同的符號，不管AlTIum叫它大地，還是你在大多數(shù)PCB上使用的三角符號，都意味著公共端或回流端。我個人的喜好是使用箭頭代表電源，我也沒遇到過哪一位工程師喜歡R1和R2那樣歐洲畫法的電阻，甚至AlTIum里的可變電阻符號R3也沒有意義，除非它有三個腳，或者在封裝上把兩個腳短接在一起。我也喜歡晶體管上的圓圈、短引腳、字母N或P清晰地顯示MOSFET的類型，以及有助于顯示管子類型的柵極引腳，可以翻轉(zhuǎn)的P溝道類型，以便源極位于上面，因為更多的正電源也在上面。我很欣賞AlTIum/CircuitStudio顯示體二極管。

　　在現(xiàn)代設(shè)計中，電源和地引腳不可見帶來的問題是，當(dāng)版圖封裝的電源連接錯誤時電路經(jīng)常會燒掉。經(jīng)常會燒。這是一個很嚴(yán)重的問題，因為你可能有多個帶電源的層，而重新做PCB甚至重新搭建原型是很困難的?；谶@個理由，我們許多人會把電源引腳明確地畫出來。對于像四運放這樣的多元件封裝來說有三種方法來實現(xiàn)（圖5）。第一種方法是你可以將電源引腳畫在每個元件上。第二種方法是只將電源引腳畫在其中一個元件上，這時要確保將所有未用元件也都放到原理圖上。第三種方法是將四運放設(shè)計成由5個元件組成的異構(gòu)封裝，包括4個獨立的運放和一個單獨的電源與地引腳元件。這種方法的優(yōu)點是你可以將電源與地元件和所有去耦電容放在一起。缺點是你可能忘了放電源與地元件，由此帶來的災(zāi)難是器件沒有供電而不是接錯電源。一個技巧是將電源引腳作為封裝中的第一個元件，這樣當(dāng)你放置這個元件時第一個放的就是電源。不管怎樣，你都應(yīng)該將所有元件都放到原理圖中去，以便給未用元件合適的偏置，防止它們發(fā)生振蕩。

圖5：電源和地不要使用零長度的引腳。相反，最好在U1的每個元件上畫出電源引腳。你也可以只在封裝的某個元件上畫電源引腳，但要確保所有元件都被放置，這樣你就不會忘了連接電源（U2）。U3封裝則是使用了一個單獨的“元件”來畫電源和地。這樣做的優(yōu)點是你可以翻轉(zhuǎn)運放，根據(jù)電路需要靈活地將負(fù)引腳放在正引腳的上面或下面。

　　十幾年前Cadence的OrCAD中就有這些異構(gòu)元件了，這種方法還可以將連接器分解成若干塊。這樣做同樣是為了保持原理圖的信號流向，確保每根線連接正確的連接器（圖6）?，F(xiàn)在你可以確保你的原理圖流向是從左到右的，使得其他工程師理解起來更加容易，也能讓你在5年后再看時更加容易理解。

圖6：如果你將連接器只畫成一個元件符號，會使得原理圖很亂（a）。通過使用OrCAD中的異構(gòu)元件功能，或Altium/CircuitStudio中的元件“模式”，你可以將連接器分解開來，以便原理圖的流向更清晰更容易理解（b）。

　　另外一個考慮是如何將諸如開關(guān)電源芯片這樣的復(fù)雜元件畫清晰。即使你將輸入移到左邊，輸出移到右邊，仍然很難理解這種元件的工作原理。針對這種情況，你可以在符號框中畫一個簡單的圖，用來暗示這個元件的功能。不一定是數(shù)據(jù)手冊中的框圖，只需簡單的表述，以便提醒你和其他人這個元件是做什么的。

　　還有其它一些原理圖符號的慣例，它們更多的是偏好，而不是好的設(shè)計原則。我很喜歡用圓圈將晶體管包圍起來。需要重申的是，那些半導(dǎo)體工程師畫的晶體管才沒有圓圈。我認(rèn)為圓圈非常有用。同樣，我很喜歡當(dāng)走線發(fā)生交叉時做一個小的跳接。這就引出了另一個重要規(guī)則：沒有4向結(jié)點。我見過一個傳真過來的原理圖，怎么都看不出走線是否只是交叉而不是連接在一起。結(jié)果我猜錯了，這浪費了我一天時間。如果所有原理圖都用跳接，“沒有4向結(jié)點”規(guī)則就沒那么重要了。令我高興的是，最新版本的Altium/CircuitStudio可以顯示跳接，并能自動防止生成4向結(jié)點（圖7）。

圖7：像我這樣的老人在走線間沒有連接關(guān)系時喜歡采用跳接的方式。需要注意的是，4向結(jié)點是原理圖中的禁忌。Altium/CircuitStudio有產(chǎn)生跳接的選項，也有通過設(shè)置走線偏移消除交叉結(jié)點的功能，比如這個芯片的GND連接處所示。注意，庫元件的左邊是輸出，右邊是輸入，與你想象的剛好相反。

　　我的做法是使用輸入在左側(cè)的規(guī)則重畫元件符號（圖8）。我還使用了獨立的電源與地符號，以便減少雜亂現(xiàn)象，畢竟我們關(guān)心的是信號流向。大多數(shù)工程師理解555定時芯片內(nèi)部的功能。但如果你不知道，或者你認(rèn)為閱讀該原理圖的人不知道，那么你可以在元件內(nèi)部畫上一些或所有框圖。Altium/CircuitStudio允許你在原理圖符號上放置圖片，因此我在網(wǎng)上找到一個很好的555定時器框圖，經(jīng)過一些細(xì)微調(diào)整后我將它放進(jìn)原理圖符號中。我不得不遵循它們的引腳輸出結(jié)構(gòu)，因此原理圖上有些跳接（圖9）。

圖8：修改圖7中的555定時器，將輸入放在左邊，輸出放在右邊，這樣原理圖流向更清晰。單獨的電源與地符號消除了走線的雜亂現(xiàn)象。

圖9：你可以在元件內(nèi)部畫一個框圖來展示它的功能。這可以像顯示一個集電極開路輸出一樣簡單，或者像顯示開關(guān)電源芯片內(nèi)部功能一樣更復(fù)雜一些。一些CAD軟件包允許你將圖像粘貼到元件符號內(nèi)。

　　這里有個關(guān)鍵點。你可以用整個原理圖來表示元件內(nèi)部功能，或者要是對元件內(nèi)部功能不是很關(guān)心的話，可以想讓原理圖更簡捷。我的想法是適當(dāng)在元件內(nèi)畫一些內(nèi)容，比如集電極開路輸出，但重要的是保持整個原理圖清晰有條理，人們看起來容易理解。

　　好了，就剩最后一個模擬工程師的最愛了。在大學(xué)里，John Kuras經(jīng)常開玩笑說功率晶體管應(yīng)該用粗一點的線畫得大一點。當(dāng)時我們都嗤之以鼻，但現(xiàn)在我確實喜歡用更大的符號顯示TO-3巨型封裝的晶體管（圖10）。成為模擬工程師就得接受重要性原則，而更大的晶體管更重要，而且畫起來更容易。

圖10：每個人都可以看出來，右邊的晶體管是一個功率晶體管。

　　原理圖符號偏好就像是音樂偏好，它們非常個性化。這是你作為工程師的一種風(fēng)格。像跳接和晶體管上的圓圈等事情不是很重要，而諸如輸入在左邊和上邊、輸出在右邊和下邊等事情則比較重要。我們都在爭論如何處理既有輸入又有輸出的總線。我認(rèn)為地符號很重要。網(wǎng)上有篇應(yīng)用筆記，那篇筆記認(rèn)為如果你根據(jù)符號建議的那樣將它連接到大地，有可能燒壞二極管。