在我上一篇文章的評論部分,有一些關於繪製電路圖符號的討論,讓你的電路圖符號容易被理解是件重要的事。有時候你的電腦輔助設計(computer aided design,CAD)套件內的預先提供的符號就可以使用,然而大多數的時候無法運作。確認你有一個套件讓符號建立變得容易,因為你有時不得不重新繪製每一個元件,以及建立你將使用的新元件符號。CAD套件內的數萬個符號只是重新繪製時的一個開始。

良好的電路圖具有可預測的流程,該流程需要把輸入端放在左側與上方,而輸出端在右側與下方。這不是定律,但如果你想讓其他工程師一眼就能看懂你的電路圖,這就非常重要。我可以大聲跟你說:「這樣做差在哪?!」意思是如果我的流程圖從左到右開始,「會有什甚麼差別?」你可以馬上了解。半導體公司賺了這麼多錢,並提供這麼多的支援,有時候它們只想專注在元件本身,而不是流程。到目前為止,一些公司畫出它們的電路圖符號來模擬元件的接腳(pin-out),而不是訊號流程(signal flow),如圖1。

20170410NT01P1 圖1 半導體元件供應商所畫的電路圖符號是模擬元件的接腳圖,而非訊號流程。

圖1中,六頻逆變器(hex inverter)U1不是非常有用,它將六個元件組合成一個符號,左右側都有輸入端和輸出端,接腳長度比他們需要的還長。U2的符號較好一點,輸入端在左側,輸出端在右側。像我這樣一把年紀的人不喜歡彩色襯底,因為黑白列印副本後都會讓黃色變成黑色,變得很難看得清楚。我設計了U3作為異質元件(heterogeneous part),它有六個元件,以及顯示電源和接地的第七個元件,電阻RP1(Resistor pack RP1)是愚蠢的設計畫法,因為當電阻分佈在圖上的各個地方時,你並不想弄亂你的電路圖。RP2顯示異質元件如何做到這一點。

一些半導體公司採用了ANSI符號來說明邏輯關係,這顯然是由需要分析的線性思考者所發明的,並不符合以圖像思考的類比工程師的需求 (圖2)。

20170410NT01P2 圖2 許多工程師不喜歡ANSI/IEEE邏輯符號的畫法,甚至認為比無用的符號還糟,標示明確的邏輯符號比那些無用的符號更好。

所謂無用是由元件置入CAD套件中的方式判定,較好的方法是將元件分成兩半,更好的方法是把電源符號分開放在另外一個部分,這樣你就不會搞混訊號流程。一個類比工程師只需要一些簡單的元件繪製說明,了解到底是怎麼運作的。

對於多元件封裝(multi-part packages)來說,如同許多邏輯閘(Logic Gate),需要將電路圖符號分開,因為你很少在電圖中看到它們被放在同一個地方。這同樣適用於雙通道運算放大器(dual op amps)或四通道運算放大器(quad op amps)。元件符號可採用德摩根等效視圖(DeMorgan equivalent view)來表示(圖3)。我很佩服可以看懂Boolean表達電路設計方式的工程師,但我還是傾向以圖形表示,這樣的話我可以想像這些元件在D型閂鎖器(D-Latch)裡的樣子,或多工器(multiplexor)中顯示輸入端的接腳。

20170410NT01P3 圖 3 OrCAD 9在 1995年起採用反及閘 (NAND gate)的德摩根等效視圖。

電源接腳上下顛倒

事實上,Altium/CircuitStudio讓元件可透過不同的「模式」來做同樣的事情,如果你要使運算放大器符號具有負極接腳在正極接腳上方的模式,這會變得很方便。沒有等效符號(equivalent symbol)時,如果你垂直翻轉零件,它會把電源正極(plus power)放在下面,而電源負極(接地,ground)符號放在上面。若採用你繪製的德摩根等效視圖,你在置換輸入接腳的同時,讓電源和接地符號維持原本應該在的位置。解決這個問題的另一種方法是使用具有獨立功率(U6)的異質元件,然後你可以垂直地翻轉放大器並把負極接腳放在上方。

談到某個年代的電路程式設計,當時印刷電路板(PCB)還只有40個14根接腳去耦電容的邏輯晶片,和卡緣連接器(edge-card connector)。在1985年,DOS OrCAD甚至不能繪製三角形,這是當時普遍的困擾之處。許多公司認為在印刷電路板上只有一個電源正極(VCC),這兩個「C」代表「共集極(common collector)」,所有這些邏輯閘供電給許多電阻的集電極,所以會看見電池正極(VCC)和接地(接電源負極)這兩個符號。CAD的程式設計師認為沒有必要在IC上顯示電源接腳,他們用「零長度(zero length)」接腳來代替,然後佈線設計時也將這些接腳取相同的名字。程式設計師認為當一切都歸結到網表(netlist)時,工程師使用電路圖是愚蠢的。

說到接地,用「公共(common)」或「回流(return)」來表達更精確,除非你的電路連接到牆上插座的大地接地接腳(earth ground pin),如圖 4。我承認這只是個人喜好,但我喜歡美式電源和電阻符號,在電阻和MOSFET的圓圈旁有清楚的N或P通道類型的標示。

20170410NT01P4 圖 4 接地、電源、電阻、電晶體和 MOSFET等各種元件的符號。

我以前遇過一個教授,如果你在汽車收音機的電路圖上顯示大地接地符號,會把你當掉。用在汽車底盤是不同的符號,儘管Altium稱它為大地(Earth),然而你大部份在PCB板上標示的應該是三角形符號,意味著公共或回流。我個人偏好使用箭頭表示電源,我從來沒有遇到過一個喜歡用歐洲式畫法,像是R1和R2來定義電阻器的工程師,甚至Altium為R3符號來表示電位器也沒有任何意義,除非它有三個接腳,或是元件封裝(footprint)將兩個接腳短接起來。我也喜歡使用圓形來表示電晶體(transistor)、短接腳(short pins),用字母N或P來清楚表示MOSFET的類型,並且繪製閘極接腳以更清楚地表達。我也會使用翻轉的P通道,將源極(source)標示在上方,這裡是電源正極通過的地方。我對於Altium/CircuitStudio在本體二極體(Body Diode)的標示設計上,給予好評。

在現今的設計中,看不見電源和接地接腳所產生的問題是,總是會看到電路佈線被錯誤地連接,讓你一直疲倦不堪。這是一個常發生的大問題,由於板面(plane)上可能會配置電源,所以重新繪製電路板,即使是一個原型(prototype),都非常困難。因此,我們當中的許多人繪製電源接腳時會明確地標示。有三種方法標示多元件封裝,如四通道運算放大器(quad opamps),如圖5。第一,您可以在每個元件畫上電源接腳;第二,可以只在一個元件上畫上電源接腳,並確認放上所有備用元件(spares);第三,可以將四通道運算放大器繪製為五個元件組成的異質封裝,將每個四通道運算放大器當作一個元件,然後將電源和接地接腳與其分開標示。這樣做的優點是,可以將電源和接地元件與所有去耦電容器放在一起。缺點是你可能會忘記畫上那部分,然後一樣地發生悲劇,那個元件會無法接電,而不是接錯電源。一個訣竅是使電源接腳成為封裝的第一個元件,這樣當你去放置它時會最先顯示出來。你應該先放上所有的元件,然後才能你可以加偏壓(bias)在未使用到的元件上,使它們不振盪。

20170410NT01P5 圖5 多元件封裝的四通道運算放大器的三種標示法。

圖5中,繪製電源和接地符號時,不要使用零長度的接腳。相反地,繪製電源接腳時,如果你想要的話,可以畫在每個元件上(U1)。否則,你只能在套件上的一個元件繪製電源接腳,但務必放置所有元件,以便記得要連接電源(U2)。使用U3,你繪製一個有單獨元件的套件,此元件有電源與接地符號。優點是當你翻轉運算放大器時,能使負極接腳如電路規定的那樣放在電源正極的上方或下方。

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