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设计Korg Nutube放大器第三部分:PCB计算机辅助设计

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这是创建吉他踏板放大器系列的第三部分,在第二部分中我们了解了如何构建面包板原型设计。接下来,我们有足够的数据通过CAD的辅助来设计电路。

计算机辅助设计

用胶带或油性记号笔绘制PCBs的日子早已过去,这是过去运用的方法。然而,现代的方法是运用计算机程序同时创建原理图与PCB板图。就像字处理app中存在许多CAD程序一样。

这些CAD程序相当昂贵(价值相当于一辆高端汽车),并且需要一定程度的培训与经验才能使用。直到完全免费的版本,虽然仍然需要一定培训,但是我们能够简单的使用。在这个案例中,我们将使用免费的DesignSpark PCB

通过这几年使用过的一些CAD软件包,我发现其中大部分都拥有相似的操作系统。DesignSpark PCB也是一样,让人感到相当熟悉,可凭直觉操作,另外还有很多很棒的教程帮助你填补知识中的空缺。

随着CAD进程,我们需要经过几个阶段:获取原理图,部分创建,最终布局

部分创建

最大的特征是footprints and symbols,它们占了RS产品目录的很大比例,并有一个可以帮助创建那些不能创建footprints的系统。下面是一个示例:没有LM317T部分或footprint,因此我们跟随DesignSpark PCB的链接http://rs.componentsearchengine.com/来同时创建原理图与线路图布局symbol/footprints。

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正如我们上图所看到的,可获取的几个部分。如果我们期望制作一个匹配Fairchild LM317T的器件,我们可以单击build/request并跟随指示,在几分钟内完成创建。

如果我们不指出这点,那就是不负责任。虽然它有很大的特色,但是大部分是未被核实的,因此不能保证完全不出错。这并不特殊,确实存在一些不知名的库-即使是最昂贵的CAD软件包。因此任何CAD库,甚至是自己创建的库-特别是自己创建的库-请核对!

如果你想要设计特殊的CAD电池,没有比用scratch编程这种解决方法更好的了。这里有几个教程,一旦你理解了,就可以开始创建一些外来的CAD电池。

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获取原理图

如果你阅读过先前系列中的文章,你可能会发现先前显示的原理图来自CAD软件包,其中大部分在DesignSpark PCB中创建。我们给出了几个很棒的教程,教你如何启动,但是教程不包含如何用这个包,我们只会给出结果。

首先,我们需要电源。针对我们的设计,我们决定以12V“brick”运行,但是它可以很容易的作为9V电池使用(这不会持续很久)是为18-24V便携式电脑供电。当我们所设计的电路工作在40Vdc时,我们运用的部分就有了上限,我们应当小心地选择电容,由于电解电容过电压会导致相当严重的后果。另一点值得注意的是,电压越高,稳压器会越热,基于上次我们讨论过的原因。

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我们还需在电源输入端添加小型CLC滤波器,由二极管提供反向电压保护。这依赖于外部保险丝或插头顶部/电源brick限制电流,但应保存管子,并设计防止反向电压的影响。我们不建议使用无保险丝的12V电池。

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输入电路看起来很复杂,但是如果你忽视输入处DNI(不嵌入)阻抗缓冲,在偏差被10k缓冲之前,这里就只有R22,C1电容和10k串联阻抗。这些10k电阻从“pot”电位器所产生的可变电压中提供电流限制 (这是接近于0R的限制)。

当我们假设我们的源头是另一个踏板的时候,我们已经离开了缓冲,因此呈现低阻抗。但是如果你希望有高阻抗输入,那么只需安装阻抗缓冲。

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为了串级放大器(为了额外的增益),我们增加了一个阻抗缓冲器。由于Nutube具有很高的输出阻抗,它很难在没有阻抗缓冲的情况下驱动第二个Nutube。

我们在3个控制pots中加入了第一个;像一个可变电阻一样运行,这个pot能有效地让我们从第一个放大器中移除增益,或者把它添加到第二个放大器,增加5 - 25倍的增益。

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对于输出,我们有另一个阻抗缓冲来保证低输出阻抗,AC耦合消除由引起的管子引起的偏差——由R24设定的输出阻抗可调电阻(我们选择10 k,因为我们已经使用了一些),紧随其后的是两个可调控制器 。

第一个控制是RC过滤器,它允许我们不同程度地移除HF。当R14在100k时,调音电路几乎没有什么影响,然而,当R14下降时,电路变得更有主导性,并且会使输出信号衰减更多,尤其在更高频率情的情况下。通过改变C18,滚轮可以被调节来与之匹配,在电路成为主导之前,越小的C18,频率越高。

最后,音量控制,有效地将输出从1 / 11降低到11 / 1。当滑片位于R13的pin1时,供给gnd 110k输出和10k的源阻抗;当滑片在pin 3时,输出的源阻抗为110k,而供给gnd 10k输出。

CAD布局

CAD布局有很多方法和缺陷,每个工程师都有自己的方法和风格。成功的关键在于开始之前,正确地制定计划。当你知道所有接下来的步骤时,这将会对你的设计产生很大的帮助,并且会使CAD的布局更加容易。使用 “rats nest”可以有所补益,但第一个设计往往会令人望而生畏。

第一件要做的事情是考虑在哪里做板,因为这将影响层,跟踪和间隔部分的使用。不同的PCB制造商有不同处理能力和技术,所以这是一个关键的步骤,不应该被忽视。

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在路由之前把所有东西都放置好是一个很好的策略。虽然有时这是不可行的,但它会有所帮助。

另一个在设计中经常被忽略的东西,地和电源。通常作为最后设计的东西,然而地平面的阻抗是降低系统噪声的关键,对于放大器来说可消除放大器中的噪音。在某种程度上,我们(尽可能)分配2层PCB给地。这将使总体变得正常,gnd处噪音较低。

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使用“polys”可以有所帮助。上面所示的设计是利用这些被覆盖的铜区域提供可靠的低阻抗。然而需要注意的是,这些铜区域确实增加了设计的复杂性,在布局和层间规划时还需要横向考虑。另一个附带的好处:拥有接近100%铜覆盖的板意味着更少的浪费,由于更少的铜被蚀刻,从而节省了耗费。

PCBs完成顺序

在你的零件被安排好之后,还有三件事要做:

  • 按照所需格式创建生产文件(最可能是Gerber)
  • 检查检查,再检查所有的东西,包括Gerber!
  • 将这些文件提交给您选择的PCB fab。DesignSpark PCB有一个方便的链接,然而我们还拥有更多的链接。

下一步

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PCB创建完成后,我们需要BOM(BOM Of Materials)。DesignSpark PCB有一个链接,如果部件正确设置,它可以直接从PCB包中订购。

这将是一个等待的游戏,看看我们刚刚设计的PCB是否能够正常运作,还是它只是一个残次品。

下次我们将建立PCB并检查电路运行情况。可能存在一个小问题,鉴于我们吉他演奏经验比较缺乏,我们可能不得不运用3.5毫米——¼英寸电缆。

Karl Woodward

Karl is a design engineer with over a decade of experience in high speed digital design and technical project leadership in the commercial electronics sector.
DesignSpark Electrical Logolinkedin