第7 章 印制 电路 板设 计基 础

随着中、大规模集成电路出现，元器件安装朝着自动化、高密度方向发展，对印制电路板导电图形的布线密度、导线精度和可靠性要求越来越高。为满足对印制电路板数量上和质量上的要求，印制电路板的生产也越来越专业化、标准化、机械化和自动化，如今已在电子工业领域中形成一门新兴的PCB制造工业。

印制电路板(也称印制线路板,简称印制板)是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板,在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔(如元器件孔、机械安装孔及金属化孔等),以实现元器件之间的电气互连。

7.1 印制电路板基础知识

7.1.1 印制电路板的发展

在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接而组成完整的线路。在当代，电路面板只是作为有效的实验工具而存在，而印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。

印制电路技术虽然在第二次世界大战后才获得迅速发展，但是“印制电路”这一概念的来源，却要追溯到19世纪。

在 19 世纪,由于不存在复杂的电子装置和电气机械,因此没有大量生产印制电路板的问题,只是大量需要无源元器件,如电阻、线圈等。1899 年,美国人提出采用金属箔冲压法,在基板上冲压金属箔制出电阻器,1927 年提出采用电镀法制造电感、电容。

20 世纪初，人们为了简化电子机器的制作，减少电子零件间的配线，降低制作成本等优点，于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方

法。三十年间，不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。而最成功的是1925年，美国的 Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案，再以电镀的方式，成功建立导体作配线。

直至1936年，奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler)在英国发表了箔膜技术，他在一个收音机装置内采用了印制电路板；而在日本，宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配线方法(特许119384号)”成功申请专利。而两者中Paul Eisler的方法与现今的印制电路板最为相似，这类做法称为减去法，是把不需要的金属除去；而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线，称为加成法。虽然如此，但因为当时的电子零件发热量大，两者的基板也难以配合使用，以致未有正式的实用作品，不过也使印制电路技术更进一步。

50 年代中期，随着大面积的高黏合强度覆铜板的研制，为大量生产印制板提供了材料基础。1954 年，美国通用电气公司采用了图形电镀-蚀刻法制板。

60 年代，印制板得到广泛应用，并日益成为电子设备中必不可少的重要部件。在生产上除大量采用丝网漏印法和图形电镀—蚀刻法（即减成法）等工艺外，还应用了加成法工艺，使印制导线密度更高。目前高层数的多层印制板、挠性印制电路、金属芯印制电路、功能化印制电路都得到了长足的发展。

我国印制电路技术的发展现状：50年代中期试制出单面板和双面板，60年代中期，试制出金属化双面印制板和多层板样品，1977年左右开始采用图形电镀—蚀刻法工艺制造印制板。1978年试制出加成法材料——覆铝箔板，并采用半加成法生产印制板。80年代初研制出挠性印制电路和金属芯印制板。

近十几年来，印制电路板制造行业发展迅速，印制电路板从单层发展到双面板、多层板和挠性板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制电路板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力。

未来印制电路板生产制造技术发展趋势是在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展。

在电子设备中，印制电路板通常起三个作用：

（1）为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。

（2）提供电路的电气连接。

（3）用标记符号将板上所安装的各个元器件标注出来，便于插装、检查及调试。

但是，更为重要的是，使用印制电路板有四大优点：

（1）具有重复性。

（2）板的可预测性。

（3）所有信号都可以沿导线任一点直接进行测试，不会因导线接触引起短路。

（4）印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。

正因为印制板有以上特点，所以从它面世的那天起，就得到了广泛的应用和发展，现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展。特别是SMD（表面封装）技术是高精度印制板技术与VLSI（超大规模集成电路）技术的紧密结合，大大提高了系统安装密度与系统的可靠性。

7.1.2 印制电路板的分类

目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘板（基板）上，故亦称覆铜板。

1. 根据 PCB 导电板层划分

（1）单面印制电路板（single sided print circuit board）。单面印制板指仅一面有导电图形的印制板，板的厚度约为0.2～5.0mm，它是在一面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路。图7-1所示为单面印制电路板的正反面示例，它适用于电路密度低、成本要求低的电子设备，如红外遥控器等。图7-2所示为单面印制电路板焊接示意图。

（2）双面印制电路板（double sided print circuit board）。双面印制板指两面都有导电图形的印制板，板的厚度约为0.2~5.0mm，它是在两面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路，两面的电气互连通过金属化孔实现。它适用于要求较高的电子设备，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。图7-3所示为双面印制电路板的正反面示例，它广泛应用于电路密度中等、成本要求不

高的电子设备。图7-4所示为双面印制电路板焊接示意图。

（3）多层印制电路板(multilayer print circuit board)。多层印制板是由交替的导电图形层及绝缘材料层层压黏合而成的一块印制板，导电图形的层数在两层以上，层间电气互连通过金属化孔实现。多层印制板的连接线短而直，便于屏蔽，但印制板的工艺复杂。

图 7-5 所示为四层板剖面图。通常在电路板上，元器件放在顶层，所以一般顶层也称元器件面，而底层一般是焊接用的，所以又称焊接面。对于 SMD 元器件，顶层和底层都可以放元器件。元器件也分为两大类：插针式元器件和表面贴片式元器件(SMD)。它广泛应用于电路密度高的电子设备，它适用于广泛的高新技术产业，如电信、供仪器、医疗器械、汽车、航空航天防御等。

电、计算机、工业控制、数码产品、科教仪器、医疗器械、汽车、航空航天防御等。

2. 根据 PCB 所用基板材料划分

（1）刚性印制电路板（rigid print circuit board）。刚性印制电路板是指以刚性基材制成的 PCB，常见的 PCB 一般是刚性 PCB，如计算机中的板卡、家电中的印制板等。常用刚性 PCB 有纸基板、玻璃布板和合成纤维板，后者价格较高，性能较好，常用在高频电路和高档家电产品中；当频率高于数百兆赫时，必须用介电常数和介质损耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。

（2）柔性印制电路板（flexible print circuit board，也称挠性印制板、软印制板）。柔性印制电路板是以软性绝缘材料为基材的PCB，如图7-6所示。由于它能进行折叠、弯曲和卷绕，因此可以节约60%～90%的空间，为电子产品小型化、薄型化创造了条件，它在计算机、打印机、可穿戴设备及通信设备中得到广泛应用。

7.2 PCB 材质及生产加工流程

本节主要介绍印制电路板的材质和生产制造过程。深入了解和掌握 PCB 的生产及制造过程对于正确的 PCB 设计、板层选择、线路阻抗控制及 PCB 量产的成品率都是必不可少的。

7.2.1 常用 PCB 结构及特点

印制电路板是以铜箔基板(copper-clad laminate, CCL)作为原料而制造的电器或电子的重要机构组件，了解它们是如何制造出来的，适用于何种产品，它们各有哪些优劣点，才能选择适当的基板。基板是PCB的材料基础，主要是由介电层(树脂Resin，玻璃纤维Glass fiber)，及高纯度的导体(铜箔Copper foil)二者所构成的复合材料(composite material)。

基板是由高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层板；在基板的表面覆盖着一层导电率较高、焊接性良好的纯铜箔，常用厚度为 $ 35 \sim 50\mu m $；铜箔覆盖在基板一面的覆铜板称为单面覆铜板，基板的两面均覆盖铜箔的覆铜板称为双面覆铜板；铜箔能否牢固地覆在基板上，则由黏合剂来完成。常用覆铜板的厚度有 $ 1.0mm $、 $ 1.5mm $ 和 $ 2.0mm $ 三种。

覆铜板的种类也较多。按绝缘材料不同可分为纸基板、玻璃布基板和合成纤维板；按黏合剂树脂不同又分为酚醛、环氧、聚酯和聚四氟乙烯等；按用途可分为通用型和特殊型。

1 ）覆铜箔酚醛纸层压板

覆铜箔酚醛纸层压板是由绝缘浸渍纸或棉纤维浸渍纸浸以酚醛树脂（phonetic）经热

压而成的层压制品，两表面胶纸可附以单张无碱玻璃浸胶布，其一面敷以铜箔。主要用作无线电设备中的印制电路板。

2 ）覆铜箔酚醛玻璃布层压板

覆铜箔酚醛玻璃布层压板是用无碱玻璃布浸以环氧酚醛树脂(epoxy)经热压而成的层压制品，其一面或双面敷以铜箔，具有质轻、电气和机械性能良好、加工方便等优点。其板面呈淡黄色，若用三氰二胺作固化剂，则板面呈淡绿色，具有良好的透明度。主要在工作温度和工作频率较高的无线电设备中用作印制电路板。

3 ）覆铜箔聚四氟乙烯层压板

覆铜箔聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE 或 TEFLON)层压板是以聚四氟乙烯板为基板，敷以铜箔经热压而成的一种敷铜板。主要在高频和超高频线路中作印制板用。

4 ）覆铜箔环氧玻璃布层压板

覆铜箔环氧玻璃布层压板是将电子玻纤布或其他增强材料浸以树脂，一面或双面覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料，是孔金属化印制板常用的材料。

5 ）软性聚酯敷铜薄膜

软性聚酯敷铜薄膜是用聚酯薄膜与铜热压而成的带状材料，在应用中将它卷曲成螺旋形状放在设备内部。为了加固或防潮，常以环氧树脂将它灌注成一个整体。主要用作柔性印制电路和印制电缆，可作为接插件的过渡线。

7.2.2 PCB 生产加工流程

图 7-7 和图 7-8 分别为双面电路板和多层电路板的制版工艺及流程。下面对工艺流程中的一些术语进行说明：

1 ）开料

升料就是将一张大料根据不同制板要求用机器锯成小料的过程，将大块的覆铜板剪裁成生产板加工尺寸，方便生产加工。

2 ）刨边、洗板

开料后的板边角处尖锐，容易划伤手，同时使板与板之间擦花，所以开料后再用圆角

机圆角。圆角后去除板面的氧化层。

3 ）内光成像

进行内层图形的转移，将底片上的图形转移到板面的干膜上，形成抗蚀层。

4 ）内层刻蚀 DES

曝光后的内层板，通过 DES 线，完成显影刻蚀、去膜，形成内层线路，如图 7-9 所示。

5 ）打靶位

将内层板板边层压用的管位孔（铆钉孔）冲出用于层压的预排定位。

6 ）棕化

使内层铜面形成微观的粗糙，增强层间化片的黏结力，如图7-10所示。

7 ）层压

使多层板间的各层间黏合在一起，形成一个完整的板。利用半固化片的特性，在一定温度下融化，成为液态填充图形空间处，形成绝缘层，然后进一步加热后逐步固化，形成稳定的绝缘材料，同时将各线路各层连接成一个整体的多层板，如图7-11所示。

8 ）锣板边钻靶孔

将3个定位孔周边铜皮锣掉，用钻靶机将钻孔用的定位孔钻出来。

9 ）钻孔

使线路板层间产生通孔，达到连通层间的作用。

10 ）去毛刺（磨板）

去除板面的氧化层、钻孔产生的粉尘、毛刺使板面孔内清洁、干净。

11 ）化学沉铜

对孔进行孔金属化,使原来绝缘的基材表面沉淀上铜,达到层间电性相通。它是一种自催化的化学氧化及还原反应,在化学镀铜过程中 $ \mathrm{Cu^{2+}} $ 离子得到电子还原为金属铜,还原剂放出电子,本身被氧化。

12 ）板镀

使刚沉铜出来的板进行板面、孔内铜加厚 $ 5\sim8\mu m $，防止在图形电镀前孔内薄铜被氧化、微蚀掉而漏基材。

13 ）烘板

去除板面的杂物，烘干板面、孔内的水分。

14 ）外光成像

完成外层图形转移，形成外层线路。

15 ）图形电镀

使线路、孔内铜加厚到客户要求标准。

16 ）外层刻蚀

将板面没有用的铜刻蚀掉，露出有用的线路图形。

17 ）磨板

清洁板面，增强阻焊的黏结力。

18 ）阻焊字符

板面涂上一层阻焊，通过曝光显影，露出要焊接的盘与孔，其他地方盖上阻焊层，防止焊接短路在板面印上字符，起到标识作用。

19 ）树脂塞孔

树脂塞孔的目的：平整平面、消除杂质进入导通孔或避免卷入腐蚀杂质、有利于层压时真空度下降过程及制造精细线条、可实现任意层互联。

20 ）碳油

碳油目的：跨接线路导体，键盘用接点，固定阻抗器及半固体阻抗器。

21 ）OSP 涂覆（防氧化层）

在要焊接的表面铜上沉积一层有机保护膜，起到保护铜面与提高焊接性能的作用。

22 ）沉锡

在裸露的铜面上涂盖上一层锡，达到保护铜面不氧化，利于焊接，主要是取代高污染铅、镉、汞等有害物质，PCB 制程中，代替喷锡高温、高污染、高噪声制程及昂贵化学镍金污染制程，化学锡主要是低温（20～30℃）制程，无污染作业流程。

23 ）喷锡

喷锡又称热风整平，是将印制板浸入熔融的焊料中，再通过热风将印制板的表面及金属化孔内的多余焊料吹掉，从而得一个平滑、均匀光亮的焊料涂覆层，达到保护铜面不氧化，利于焊接作用。

24 ）沉金

通过化学反应在裸露的铜面上沉淀一层平坦的镍金，使焊盘表面平整不被氧化，增加 SMD 元器件组装和贴装的可靠性和安全性。

25 ）外形

加工形成客户的有效尺寸大小。

26 ）电测试

模拟板的状态，通电进行电性能检查，是否有开短路。

27 ）物理、化学试验测试

利用物理、化学反应分析药水浓度，物质含量等确认是否异常，为生产相关工序提供可靠、及时、准确的化学分析数据，能协助各工序生产顺利。

28 ）终检

对板的外观、尺寸、孔径、板厚、标记等检查，满足客户要求。

29 ）包装

板包装成捆，易于运送。

7.2.3 PCB叠层定义

本节主要介绍印制电路板中的每层定义，包括 PCB 的各层名称及功能。

（1）底层(bottom layer)：又称为焊锡面，主要用于制作底层铜箔导线，它是单面板唯一的布线层，也是双面板和多面板的主要布线层，注意单面板只使用底层，即使电路中有表面贴装元器件也只能安装于底层。

（2）顶层（top layer）：主要用在双面板、多层板中制作顶层铜箔导线，在实际电路板中又称为元器件面，元器件引脚安插在本层面焊孔中，焊接在底面焊盘上。由于在双面板、多层板顶层可以布线，因此为了安装和维修的方便，表面贴装元器件尽可能安装于顶层。

（3）中间信号层(mid1～mid14)：在一般电路板中较少采用，一般只有在5层以上较为复杂的电路板中才采用。

（4）内电源层(internal plane)：主要用于放置电源/地线，编辑器可以支持16个内部电源/接地层。因为在各种电路中，电源和地线所接的元器件引脚数是最多的，所以在多层板中，可充分利用内部电源/接地层将大量的接电源(或接地)的元器件引脚通过元器件焊盘或过孔直接与电源(或地线)相连，从而极大地减少顶层和底层电源/地线的连线长度，例如图7-12。

（5）丝印层(silkscreen layer)：主要通过丝印的方式将元器件的外形、序号、参数等说明性文字印制在元器件面（或焊锡面），以便于电路板装配过程中插件（即将元器件插入焊盘孔中）、产品的调试、维修等。丝印层一般分为顶层和底层，一般尽量使用顶层，只

有维修率较高的电路板或底层装配有贴片元器件的电路板中，才使用底层丝印层以便于维修人员查看电路（如电视机、显示器电路板等），例如图7-13。

（6）机械层（mechanical layer）：没有电气特性，在实际电路板中也没有实际的对象与其对应，是PCB编辑器便于电路板厂家规划尺寸制板而设置，属于逻辑层（即在实际电路板中不存在实际的物理层与其相对应），主要为电路板厂家制作电路板时提供所需的加工尺寸信息，如电路板边框尺寸、固定孔、对准孔以及大型元器件或散热片的安装孔等尺寸标注信息，可支持16个以上机械层。

（7）禁止布线层(keep out layer)：在实际电路板中也没有实际的层面对象与其对应，它起着规范信号层布线的目的，即在该层中绘制的对象(如导线)，信号层的铜箔导线无法穿越，所以信号层的铜箔导线被限制在禁止布线层导线所围的区域内。该层主要用于定义电路板的边框，或定义电路板中不能有铜箔导线穿越的区域，如电路板中的挖空区域，如图7-14所示。

（8）阻焊层(solder mask layer)：主要为一些不需要焊锡的铜箔部分(如导线、填充区、敷铜区等)涂上一层阻焊漆(一般为绿色)，用于阻止进行波峰焊接时，焊盘以外的导线、敷铜区粘上不必要的焊锡而设置，从而避免相邻导线波峰焊接时短路，还可防止电路板在恶劣的环境中长期使用时氧化腐蚀。因此它和信号层相对应出现，也分为顶部和底部，例如图7-15。

（9）焊锡膏层(paste mask layer)：贴片元器件的安装方式比传统的穿插式元器件的

安装方式要复杂很多，该安装方式必须包括以下几个过程：刮锡膏——贴片——回流焊，在第一步“刮锡膏”时，就需要一块掩模板，其上就有许多和贴片元器件焊盘相对应的方形小孔，将该掩模板放在对应的贴片元器件封装焊盘上，将锡膏通过掩模板方形小孔均匀涂覆在对应的焊盘上，与掩模板相对应的就是焊锡膏层，例如图7-16。

7.3 常用电子元器件特性及封装

本节主要介绍常用电子元器件的物理封装，内容包括电阻元器件特性及封装、电容元器件特性及封装、电感元器件特性及封装、二极管元器件特性及封装、三极管元器件特性及封装。

7.3.1 电阻元器件特性及封装

各种材料的物体对通过它的电流呈现一定的阻力，这种阻碍电流的作用叫作电阻。电阻主要用于降低电压、分配电压、限制电路电流，为各种电子元器件提供必要的工作条件（电压或者电流）等。

1. 电阻元器件的分类

对电阻主要从材料、功率和精度等方面进行分类，下面详细介绍这些分类方法。

1 ）按材料对电阻进行分类

（1） 薄膜电阻

碳膜电阻 RT 稳定性较高，噪声也比较低，一般在无线电通信设备和仪表中做限流、阻尼、分流、分压、降压、负载和匹配等用途。金属膜 RJ 和金属氧化膜电阻 RY 用途和碳膜电阻一样，具有噪声低、耐高温、体积小、稳定性和精密度高等特点。如图 7-17 所示，通常底色是米色的为碳膜电阻，底色是天蓝色的为金属膜电阻。

（2） 实心电阻

实心电阻具有成本低、阻值范围广、容易制作等特点，但阻值稳定性差，噪声和温度系数大。图7-18给出了实心电阻的外观。

（3） 绕线电阻

绕线电阻有固定和可调式两种，特点是稳定、耐热性能好、噪声小、误差范围小。一般在功率和电流较大的低频交流和直流电路中做降压、分压、负载等用途，额定功率大都在1W以上。图7-19给出了绕线电阻的外观。

（4） 贴片电阻

如图 7-20 所示，贴片电阻的特点主要有：

① 体积小，质量轻。

② 适应回流焊与波峰焊。

③ 电性能稳定，可靠性高。

④ 装配成本低，并与自动装贴设备匹配。

⑤ 机械强度高，高频特性优越。

（5） 敏感电阻

敏感电阻主要包含热敏 MZ/MF、湿敏 MS、光敏 MG、压敏 MY、力敏 ML、磁敏 MC 和气敏 MQ 等。图 7-21 给出了敏感电阻的外观图。

2 ）按功率对电阻进行分类

有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等额定功率的电阻。

3 ）按电阻值的精确度分类

（1）有精确度为 $ \pm5\% $、 $ \pm10\% $、 $ \pm20\% $等的普通电阻。

（2）还有精确度为 $ \pm0.1\% $、 $ \pm0.2\% $、 $ \pm0.5\% $、 $ \pm1\% $和 $ \pm2\% $等的精密电阻。

排电阻器，简称排阻，是一种将按一定规律排列的分立电阻器集成在一起的组合型电阻器，也称集成电阻器或电阻器网络。

4 ）排电阻

如图 7-22 所示，排电阻器有单列式(SIP)、双列直插式(DIP)、贴片式外形结构，内部电阻器的排列又有多种形式。

2. 电阻元器件阻值标示方法

电阻阻值的标示方法有三种：色环标示法、数字索位标示法和 E96 数字代码与字母混合标示法。

1 ）色环标示法

色环标示法是用色环或色点（大多用色环）来标示电阻器的标称阻值、允许误差。

（1） 普通电阻色环标示

普通电阻有四道色环。图7-23(a)给出了四道环电阻的标示方法。图中，第一、二道色环表示标称阻值的有效值；第三道色环表示倍乘；第四道色环表示允许偏差。

（2） 精密电阻色环标示

精密电阻有五道色环。图7-23(b)给出了五道环电阻的标示方法。图中第一、二、三道色环表示标称阻值的有效值；第四道色环表示倍乘；第五道色环表示允许偏差。

为了方便计算，表7-1给出了色环标示法的表示规则。

2 ）数字索位标示法

数字索位标示法就是在电阻体上用三位数字来标明其阻值。典型地，矩形片状电阻采用这种标称法。它的第一位和第二位为有效数字，第三位表示在有效数字后面所加0的个

数，这一位不会出现字母。例如，472 表示 4700Ω，151 表示 150Ω。如果是小数，则用 R 表示小数点，并占用一位有效数字，其余两位是有效数字。例如，2R4 表示 2.4Ω，R15 表示 0.15Ω。

3 ）E96 系列数字代码与字母混合标示法

E96 系列数字代码与字母混合标示法也是采用三位标明电阻阻值，即两位数字加一位字母。其中两位数字表示的是 E96 系列电阻代码，第三位是用字母代码表示的倍率。例如，查 E96 系列电阻代码表，可知，51D 表示 $ 332 \times 10^{3} $，即 $ 332k\Omega $；249Y 表示 $ 249 \times 10^{-2} $，即 $ 2.49\Omega $。

3. 电阻元器件物理封装的标识

电阻的物理封装有直插式、贴片式和定制封装三种。

1 ）直插式单个电阻元器件的 PCB 封装

直插式电阻 PCB 封装为 AXIAL-XX 形式(如 AXIAL-0.3、AXIAL-0.4)，后面的 XX 代表焊盘中心间距为 XX，单位为 in。这个尺寸肯定比电阻本身要稍微大一点，表 7-2 给出了常见直插式电阻封装与功率常见封装。

如图 7-24 所示, 典型地, AD 提供的直插式电阻的 PCB 封装为 AXIAL-0.3。该封装默认的焊盘直径为 62mil, 焊孔直径为 32mil。

另外，很多热敏、压敏、光敏、湿敏电阻的封装很像电容，或看起来根本不像个电阻器。因此，对于这类电阻可以参照下文的无极电容封装来设计，例如，RAD 0.2 等。

而可调式电阻器封装也很有特点，如引导的

独特性。很多引脚宽度也不能使用传统的圆形，一般都不能按照上述封装进行，需要遵照产品手册进行单独设计。

2）贴片式单个电阻元器件的 PCB 封装

贴片电阻电容常见封装有9种（电容指无级贴片），有英制和公制两种表示方式。英制

表示方法是采用4位数字表示的 EIA(美国电子工业协会)代码，前两位表示电阻或电容长度，后两位表示宽度，以英寸为单位。实际上公制很少用到，公制代码也由4位数字表示，其单位为 mm，与英制类似。

图 7-25 所示为单个贴片电阻物理尺寸的标注。表 7-3 给出了贴片式电阻的规格、尺寸和功率的对应关系。

| 英制代码/in | 公制代码/mm | 长(L)/mm | 宽(W)/mm | 高(H)/mm | a/mm | b/mm | 额定功率/W | 最大工作电压/V |

| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |

| 0201 | 0603 | $ 0.60 \pm 0.05 $ | $ 0.30 \pm 0.05 $ | $ 0.23 \pm 0.05 $ | $ 0.10 \pm 0.05 $ | $ 0.15 \pm 0.05 $ | 1/20 | 25 |

| 0402 | 1005 | $ 1.00 \pm 0.10 $ | $ 0.50 \pm 0.10 $ | $ 0.30 \pm 0.10 $ | $ 0.20 \pm 0.10 $ | $ 0.25 \pm 0.10 $ | 1/16 | 50 |

| 0603 | 1608 | $ 1.60 \pm 0.15 $ | $ 0.80 \pm 0.15 $ | $ 0.40 \pm 0.10 $ | $ 0.30 \pm 0.20 $ | $ 0.30 \pm 0.20 $ | 1/10 | 50 |

| 0805 | 2012 | $ 2.00 \pm 0.20 $ | $ 1.25 \pm 0.15 $ | $ 0.50 \pm 0.10 $ | $ 0.40 \pm 0.20 $ | $ 0.40 \pm 0.20 $ | 1/8 | 150 |

| 1206 | 3216 | $ 3.20 \pm 0.20 $ | $ 1.60 \pm 0.15 $ | $ 0.55 \pm 0.10 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | 1/4 | 200 |

| 1210 | 3225 | $ 3.20 \pm 0.20 $ | $ 2.50 \pm 0.20 $ | $ 0.55 \pm 0.10 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | 1/3 | 200 |

| 1812 | 4832 | $ 4.50 \pm 0.20 $ | $ 3.20 \pm 0.20 $ | $ 0.55 \pm 0.10 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | $ 0.50 \pm 0.20 $ | 1/2 | 200 |

| 2010 | 5025 | $ 5.00 \pm 0.20 $ | $ 2.50 \pm 0.20 $ | $ 0.55 \pm 0.10 $ | $ 0.60 \pm 0.20 $ | $ 0.60 \pm 0.20 $ | 3/4 | 200 |

| 2512 | 6432 | $ 6.40 \pm 0.20 $ | $ 3.20 \pm 0.20 $ | $ 0.55 \pm 0.10 $ | $ 0.60 \pm 0.20 $ | $ 0.60 \pm 0.20 $ | 1 | 200 |

3 ）排阻元器件的 PCB 封装

使用排阻，减小了占用 PCB 的空间而且方便安装。

（1） SIP 直插式排阻

引脚总是奇数的，其左端有一个公共端（用白色圆点表示），内部电阻不相互独立。常见的此种排阻有4、7、8个独立电阻，故其引脚对应为5、8、9个，即电阻数加1个。经常作为上拉电阻使用，需要注意，单列排阻有方向性。

（2） 贴片式双列排阻

如图 7-26 所示，贴片式排阻的引脚总是偶数的，没有公共端，内部电阻相互独立，常见排阻有 4 个电阻，故有 8 个引脚，即电阻数的 2 倍，经常作为限流电阻使用。其参数如表 7-4 所示。

| 尺寸型号 | L | W | H | $ L_{1} $ | $ L_{2} $ | P | Q |

| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |

| RCA03-4D(0603) | $ 3.2 \pm 0.2 $ | $ 1.6 \pm 0.15 $ | $ 0.5 \pm 0.1 $ | $ 0.30 \pm 0.15 $ | 0.35max | $ 0.8 \pm 0.1 $ | $ 0.5 \pm 0.1 $ |

7.3.2 电容元器件特性及封装

电容器是由两个金属电极，中间夹一层电介质构成的电子元器件。简单地讲，电容器是储存电荷的容器，即储能元器件。

1. 电容元器件的作用

电容的主要作用是通交流、隔直流。电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、移相等电气作用。

1 ）旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载元器件的供电电源引脚和地引脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2 ）去耦

去耦，又称解耦。从电路来说，总是可以区分为驱动源和被驱动负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流。由于电路中的电感、电阻（特别是芯片引脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的耦合。

去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰，在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。

将旁路电容和去耦电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提供一条低阻抗路径。

（1）高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取 $ 0.1\mu F、0.01\mu F $ 等。

（2）去耦合电容的容量一般较大，可能是 $ 10\mu F $ 或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源，这应该是它们的本质区别。

3 ）滤波

假设电容为纯电容，从理论上来讲，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上，超过 $ 1\mu F $ 的电容大多为电解电容，有很大的电感成分。所以，频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大的电解电容并联了一个小的陶瓷电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越不容易通过。具体用在滤波中，大电容（ $ 1000\mu F $）滤低频，小电容（ $ 20pF $）滤高频。曾有工程师形象地将滤波电容比作水塘，由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，所以说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压，滤波就是充电、放电的过程。

4 ）储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为 $ 40 \sim 450 \text{VDC} $、电容值在 $ 220 \sim 150\,000 \mu\text{F} $ 之间的铝电解电容器是比较常用的，典型的有 EPCOS 公司 B43504 或 B43505。根据不同的电源要求，元器件有时会采用串联、并联或其他组合的形式。对于功率级超过 $ 10 \text{kW} $ 的电源，通常采用体积

较大的罐形螺旋端子电容器。

2. 电容元器件的分类

1 ）按结构分类

按照结构可以将电容分为三大类，即固定电容器、可变电容器和微调电容器。

2）按功能分类

如表 7-5 所示，给出了按功能对电容进行分类的列表。

名 称	符 号	电 容量	额定电压	特 点	应 用	图 片
聚酯（涤纶）电容	CL	40pF～4 \mu F	63～630V	小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差	对稳定性和损耗要求不高的低频电路
聚苯乙烯电容	CB	10pF～1 \mu F	100V～30kV	稳定，低损耗，体积较大	对稳定性和损耗要求较高的电路
聚丙烯电容	CBB	1000pF～10 \mu F	63～2000V	性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差	代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路
云母电容	CY	10pF ～ 0.1 \mu F	100V ～7kV	价格较高，但精度、温度特性、耐热性、寿命等均较好	高频振荡，脉冲等对可靠性和稳定性较高的电子装置
高频瓷介电容	CC	1F～6800pF	63～500V	高频损耗小，稳定性好	高频电路
低频瓷介电容	CT	10pF ～ 4.7 \mu F	50～100V	体积小，价廉，损耗大，稳定性差	要求不高的低频电路
玻璃釉电容	CI	10pF ～ 0.1 \mu F	63～400V	稳定性较好，损耗小，耐高温（200℃）	电源滤波、低频耦合、去耦、旁路等	[F22]
铝电解电容	CD	0.47F～10 000 \mu F	6.3～450V	体积小，容量大，损耗大，漏电大，有极性，安装时要注意	电源滤波，低频耦合、去耦、旁路等

续表

名称	符号	电容量	额定电压	特点	应用	图片
钽电解电容	CA	0.1F~1000 \mu F	6.3~125V	损耗,漏电小于铝电解电容	在要求高的电路中代替铝电解电容
空气介质可变电容器	—	100F~1500pF	—	损耗小,效率高;可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式等	电子仪器、广播电视设备等
薄膜介质可变电容器	—	15F~550pF	—	体积小,质量轻;损耗比空气介质可变电容大	通信、广播接收机等
薄膜介质微调电容器	—	—	—	损耗较大,体积小	收录机、电子仪器等电路作电路补偿
陶瓷介质微调电容器	—	0.3~22pF	—	损耗较小,体积较小	精密调谐的高频振荡回路
独石电容	—	0.5pF~10 \mu F	二倍额定电压	电容量大,体积小,可靠性高,电容量稳定,耐高温、耐湿性好等	广泛应用于精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路

3. 电容元器件电容值的标示方法

电容元器件电容值的标示方法主要包括直标法、色标法、文字符号法和数码法。

1 ）直标法

电容器的直标法与电阻器的直标法一样，在电容器外壳上直接标出标称容量和允许偏差，还有不标单位的情况。当用整数表示时，单位为 pF；用小数表示时，单位为 $ \mu F $。例如 2200 为 2200pF，0.056 为 0.056 $ \mu $F。

2 ）色标法

顺着引线方向，第1、2环表示有效值，第3环表示倍乘，也有用色点表示电容器的主

要参数，电容器的色标法与电阻相同。

3 ）文字符号法

采用单位开头字母(p、n、 $ \mu $、m、F)来标示单位量，允许偏差和电阻的表示方法相同。小于10pF的电容，其允许偏差用字母代替，其中，B代表 $ \pm0.1\% $pF，C代表 $ \pm0.2\% $pF，D代表 $ \pm0.5\% $pF，F代表 $ \pm1\% $pF。

4 ）数码法

是用3位数来标示标称容量，再用一个字母表示允许偏差，如104k、512M等。前两位数是标示有效值，第3位数为倍乘，即10的多少次方。对于非电解电容器，其单位为pF；而对电解电容器而言，单位为 $ \mu $F。

4. 电容元器件的主要参数

电容元器件的主要参数包括容量与误差、额定耐压值、温度系数、绝缘电阻、损耗、频率特性。

1 ）容量与误差

实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围，一般分为三级：

（1）Ⅰ级： $ \pm5\% $。

（2）Ⅱ级： $ \pm10\% $。

（3）Ⅲ级： $ \pm20\% $。

在有些情况下，还有0级，误差为 $ \pm20\% $。精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级，常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：

(1) D——005级—— $ \pm0.5\% $.

(2) F——01级—— $ \pm1\% $.

（3）G——02级—— $ \pm2\% $。

（4）J——Ⅰ级—— $ \pm5\% $。

（5）K——Ⅱ级——±10%。

（6）M——Ⅲ级—— $ \pm20\% $。

2 ）额定耐压值

额定耐压值表示电容接入电路后，能连续可靠地工作，不被击穿时所能承受的最大直流电压。使用时绝对不允许超过这个电压值，否则电容就要损坏或被击穿。一般选择电容额定电压应高于实际工作电压的10%～20%。如果电容用于交流电路中，其最大值不能超过额定的直流工作电压。

3 ）温度系数

温度系数是指在一定温度范围内，温度每变化 $ 1^{\circ} $C，电容量的相对变化值，温度系数越小越好。

4 ）绝缘电阻

绝缘电阻用来表明漏电大小。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。

5 ）损耗

损耗是指在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗，通常用损耗角正切值来表示。

6 ）频率特性

频率特性是指电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小，损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响到电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。

不同品种的电容器，最高使用频率不同。典型的：

（1）小型云母电容器在 $ 250 \, MHz $ 以内。

（2）圆片型瓷介电容器为 $ 300 \, MHz $。

（3）圆管型瓷介电容器为 $ 200 \, MHz $。

（4）圆盘型瓷介电容器可达 3000MHz。

（5）小型纸介电容器为 $ 80 \, MHz $。

（6）中型纸介电容器只有 $ 8 \, MHz $。

5. 电容元器件正负极判断

如图 7-27(a) 所示，电解电容外面有一条很粗的白线，里面有一行负号，表示负极，另一边为正极。也有用引脚长短来区别正负极，长脚为正，短脚为负；电容上面有标志的黑块为负极。在 PCB 上电容位置上有两个半圆，涂颜色的半圆对应的引脚为负极。当不确定电容的正负极时，可以用万用表来测量，方法是两表笔分别接触两电极，每次测量时先把电容器放电。电阻大的那次，黑表笔接的那一极是正极。

如图 7-27(b)、(c) 所示，贴片电容正负极区分：一种是常见的钽电容，为长方体形状，有“一”标记的一端为正；另外，还有一种银色的表贴电容，是铝电解，上面为圆形，下面为方形，在光驱电路板上很常见，这种电容则是有标记的一端为负。

6. 电容元器件 PCB 封装的标示

电容可分为无极性和有极性两种，容值范围在 $ 0.22\mathrm{pF} \sim 100\mu\mathrm{F} $ 之间。绘制 PCB 时，设计者需要考虑实际使用的电容值、耐压值及电容类别等因素，这些因素也决定了电容的外形、尺寸等参数。一般而言，同种类型、相同类别的电容，容值越大电容外形越大；同种类型、相同容值的电容，耐压越高的电容外形越大。

1 ）无极性电容

无极性电容在电路原理中的符号是CAP，在PCB中常选用RAD系列的封装。如图7-28所示，常见有RAD0.1、RAD0.2、RAD0.3、RAD0.4共4种。和电阻类似，这些封装名称中的数字也代表封装中焊盘的中心距，单位为mil。例如，RAD0.4指电容封装的两焊盘中心相距400mil，常见耐压有6.3V、10V、16V、25V、50V、100V、200V、500V、1000V、2000V、3000V、4000V。表7-6给出了无极性贴片电容的常见封装和规格。

| 英制代码/in | 公制代码/mm | 长(L)/mm | 宽(W)/mm | 高(H)/mm |

| --- | --- | --- | --- | --- |

| 0402 | 1005 | $ 1.00 \pm 0.05 $ | $ 0.50 \pm 0.05 $ | $ 0.50 \pm 0.05 $ |

| 0603 | 1608 | $ 1.60 \pm 0.10 $ | $ 0.80 \pm 0.10 $ | $ 0.80 \pm 0.10 $ |

| 0805 | 2012 | $ 2.00 \pm 0.20 $ | $ 1.25 \pm 0.20 $ | $ 0.70 \pm 0.20 $ |

| 1206 | 3216 | $ 3.20 \pm 0.30 $ | $ 1.60 \pm 0.20 $ | $ 0.70 \pm 0.20 $ |

| 1210 | 3225 | $ 3.20 \pm 0.30 $ | $ 2.50 \pm 0.30 $ | $ 1.25 \pm 0.30 $ |

| 1808 | 4520 | $ 4.50 \pm 0.40 $ | $ 2.00 \pm 0.20 $ | $ ≤ 2.00 $ |

| 1812 | 4532 | $ 4.50 \pm 0.40 $ | $ 3.20 \pm 0.30 $ | $ ≤ 2.50 $ |

| 2225 | 5763 | $ 5.70 \pm 0.50 $ | $ 6.30 \pm 0.50 $ | $ ≤ 2.50 $ |

| 3035 | 7690 | $ 7.60 \pm 0.50 $ | $ 9.00 \pm 0.05 $ | $ ≤ 3.00 $ |

2 ）有极性电容

有极性电容也就是平时所称的电解电容，一般平时用得最多的为铝电解电容，由于电解质为铝，所以温度稳定性以及精度都不是很高。有极性电容在电路原理图中的符号名称为 ELECTROI 和 ELECTRO2。

直插式电解电容的常见封装为 RB. 2/.4、RB. 3/.6、RB. 4/.8、RB. 5/1.0 共 4 种。封装名称中前两位数字代表焊盘中心距，后两位代表轮廓圆的直径。如图 7-29 所示，AD 元器件库中所提供的 RB. 3/.6 封装，表示焊盘中心距为 0.3in，即 300mil；轮廓圆的直径是 0.6in，即 600mil。

贴片元器件由于其紧贴电路板，对温度稳定性要

求较高，所以有极性贴片电容以钽电容应用较多。根据其耐压不同，贴片电容又可分为A、B、C、D四个系列。表7-7给出了极性贴片电容具体封装分类。

7.3.3 电感元器件特性及封装

电感器是一种非线性元器件，可以储存磁能。由于通过电感的电流值不能突变，所以电感对直流电流短路，对突变的电流呈高阻态。电感器常用于 LC 滤波器、LC 振荡器、扼流圈、变压器、继电器、交流负载、调谐、补偿、偏转等。

1. 电感元器件的分类

图 7-30 给出了常用的电感元器件。电感元器件的分类主要包括两类：一类是应用自感作用的电感线圈，另一类是应用互感作用的变压器。

1 ）按绕线结构分类

（1）单层线圈。这种线圈电感量小，通常用在高频电路中，要求它的骨架具有良好的高频特性，介质损耗小。

（2）多层线圈。多层线圈可以增大电感量，但线圈的分布电容也随之增大。

（3）峰房线圈。峰房线圈在绕制时导线不断以一定的偏转角在骨架上偏转绕向，这样可大大减小线圈的分布电容。

2 ）按外形分类

电感按外形可以分为空心线圈和实心线圈。

3 ）按工作性质分类

4 ）按封装形式分类

电感按工作性质可以分为高频电感器，包括各种天线线圈、振荡线圈，以及低频电感器，如各种扼流圈、滤波线圈等。

电感按封装形式可以分为普通电感器、色环电感器、环氧树脂电感器和贴片电感器等。

5 ）按电感量分类

2. 电感元器件电感值标注方法

电感按电感量可以分为固定电感器和可调电感器。

电感元器件电感值标注主要有以下几种方法：直标法、文字符号法、数码法和色标法。

1 ）直标法

在采用直标法时，直接将电感量标在电感器外壳上，并同时标允许偏差。

2 ）文字符号法

用文字符号标示电感的标称容量及允许偏差，当其单位为 $ \mu H $ 时用 R 作为电感的文字符号，其他与电阻器的标相同。如图 7-31 所示，该电感元器件的电感量为 $ 3.3 \mu H $，偏差为 $ \pm 10\% $。

3 ）数码法

电感的数码标示法与电阻器一样，前面的两位数为有效数，第三位为倍乘，单位为 $ \mu H $。如图7-32所示，该电感元器件的电感量表示为 $ 22 \times 10^{0} = 22\mu H $，其偏差为 $ \pm 20\% $。

4 ）色标法

电感器的色标法多采用色环标示法，色环电感识别方法与电阻相同。通常为四色环，色环电感中前面两条色环代表有效值，第三条色环代表倍乘，第四条色环为偏差。

3. 电感元器件的主要参数

电感元器件的主要参数包括电感量、允许偏差、最大电流等。

1 ）电感量

电感器工作能力用电感量来表示，表示产生感应电动势的能力。电感量是表征线圈的一个重要参数，通常线圈的匝数越多，电感量越大。此外，电感量大小与线圈绕制方式、有无磁芯及磁芯位置和材料有关。

电感量标称值（按E12系列）分别有1、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2。电感量的常用单位为H（亨）、mH（毫亨）和μH（微亨）。 $ 1H=1\times10^{3}mH=1\times10^{6}\mu H $。

2 ）允许偏差

允许偏差采用百分数表示，为 $ \pm5\% $(Ⅰ)、 $ \pm10\% $(Ⅱ)、 $ \pm20\% $(Ⅲ)。用文字符号J表示 $ \pm5\% $，K表示 $ \pm10\% $，M表示 $ \pm20\% $。

用途不同对电感的精度要求不同：振荡线圈要求较高，为0.2%～0.5%，对耦合线圈和高频扼流线圈要求较低，允许10%～15%。

3 ）最大电流

一旦电感通过的电流值超过电感允许通过的最大电流值，就会损害和烧毁电感。

4. 电感元器件 PCB 封装的标示

功率电感封装以骨架的尺寸做封装标示：

（1）贴片用椭圆形标示方法，如5.8（5.2）×4，表示长径为5.8mm，短径为5.2mm，高为4mm的电感。

（2）插件用圆柱形标示方法，如 $ \phi6\times8 $，表示直径为 6mm，高为 8mm 的电感。只是它们的骨架一般要通用，否则要定制。

普通线性电感、色环电感与电阻电容的封装都有一样的标示，贴片用尺寸标示，如0603、0805、0402、1206等，插件用功率标示，如1/8W、1/4W、1/2W、1W等。

电感在绝大多数情况下是一个线圈，在特高频时可能就是一段导线。在单独使用时是不显示其极性的，即正接和反接都是没有区别的。

表 7-8 给出了常见电感的封装及相应参数的列表。

| 封装 | 精度 | Q值 | 频率/Hz |

| --- | --- | --- | --- |

| 0402 | $ \pm 0.1 \text{nH} $ | 3 | 100 |

| 0405 | $ \pm 0.2 \text{nH} $ | 5 | 25.2 |

| 0603 | $ \pm 0.3 \text{nH} $ | 10 | 25 |

| 1005 | $ \pm 3\% $ | 20 | 10 |

| 1608 | $ \pm 5\% $ | 25 | 7.96 |

7.3.4 二极管元器件特性及封装

电子元器件中，二极管元器件是一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，常用于整流、开关、限幅、续流、检波、阻尼、显示、稳压、触发等。

1. 二极管元器件的分类

1）按材料分

二极管按材料可分为锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等。

2）按制作工艺分

二极管按制作工艺可分为面接触二极管和点接触二极管。

3）按结构类型分

二极管按结构类型可分为半导体结型二极管、金属半导体接触二极管等。

4）按封装形式分

二极管按封装形式可分为常规封装二极管、特殊封装二极管等。

5）按用途不同分

二极管按用途不同可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等。

（1）整流二极管。整流二极管是将交流电转变（整流）成脉动直流电的二极管，它利用二极管的单向导电性工作。

（2）检波二极管。检波二极管是用于把在高频载波上的低频信号卸载下来（去载）的

器件，具有较高的检波效率和良好的频率特性。图7-33给出了常见检波二极管的外形结构。

（3）开关二极管。开关二极管是利用半导体二极管的单向导电性，即导通时相当于开关闭合（电路接通）；截止时相当于开关打开（电路切断），特殊设计制造的一类二极管。

开关二极管的特点是导通和截止速度快，能满足高频和超高频电路的需要，常用于脉冲数字电路、自动控制电路等。图7-34给出了常见开关二极管的外形结构。

（4）稳压二极管。稳压二极管又称齐纳二极管，是利用硅二极管的反向击穿特性（雪崩现象）来稳定直流电压的，根据击穿电压来决定稳压值。因此，需要注意的是，稳压二极管是加反向偏压的。稳压二极管主要用于稳压电源中的电压基准电路或过压保护电路中，图7-35给出了常见稳压二极管的外形结构。

（5）快速恢复二极管。快速恢复二极管是一种开关特性好、反向恢复时间短的二极管，主要应用于开关电源、PWM 脉宽调制器及变频器等电子电路中。

（6）肖特基二极管。肖特基二极管是肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode，SBD）的简称，是近年来产生的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快速恢复二极管所无法比拟的。肖特基二极管是用贵重金属（金、银、铝、铂等）作为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属一半导体器件。

肖特基二极管通常用于高频、大电流、低电压整流电路中。

（7）瞬态电压抑制二极管。瞬态电压抑制二极管，简称 TVS（transient voltage suppressor）管。它是在稳压管的工艺基础上发展起来的一种半导体器件，主要应用于对电压的快速过压保护电路中。可广泛用于计算机、电子仪表、通信设备、家用电器以及野外作业的机载/船用及汽车用电子设备中，并可以作为人为操作引起的过电压冲击或雷电对设备的电击等的保护元器件。

（8）发光二极管。如图7-36所示，发光二极管的英文简称是LED。除了具有普通二极管的单向导电特性之外，还可以将电能转换为光能。给发光二极管外加正向电压时，它也处于导通状态，当正向电流流过管芯时，发光二极管就会发光，将电能转换成光能。

发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料以及掺入杂质的种类决定。目前常见的发光二极管发光颜色主要有蓝色、绿色、黄色、红色、橙色、白色等。其中，白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

发光二极管的工作电流通常为2～25mA，工作电压(即正向压降)随着材料的不同而不同：

① 普通绿色、黄色、红色、橙色发光二极管的工作电压约 2V。

② 白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V。

③ 蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V。

发光二极管的工作电流不能超过额定值太高，否则，有烧毁的危险。故通常在发光二极管回路中串联一个电阻作为限流电阻。

红外发光二极管是一种特殊的发光二极管，其外形和发光二极管相似，只是它发出的是红外光，在正常情况下人眼是看不见的。其工作电压约1.4V，工作电流一般小于20mA。有些公司将两个不同颜色的发光二极管封装在一起，使之成为双色二极管（又称为变色发光二极管）。这种发光二极管通常有三个引脚，其中一个是公共端。它可以发出三种颜色的光（其中一种是两种颜色的混合色），通常作为不同工作状态的指示器件。

（9）雪崩二极管（avalanche diode）。雪崩二极管是在稳压管工艺技术基础上发展起来的一种微波功率器件，它在外加电压的作用下可以产生高频振荡。

雪崩二极管利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子穿越半导体晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间。若适当地控制穿越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用微波通信、雷达、战术导弹、遥控、遥测、仪器仪表等设备中。

（10）双向触发二极管。双向触发二极管也称二端交流元器件（DIAC）。它是一种硅双向电压触发开关器件，当双向触发二极管两端施加的电压超过其击穿电压时，两端即

导通，导通将持续到电流中断或降到器件的最小保持电流才会再次关断。双向触发二极管通常应用在过压保护电路、移相电路、晶闸管触发电路、定时电路中。

（11）变容二极管。变容二极管，简称为VCD（variable capacitance diode）管，是利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件。变容二极管相当于一个容量可变的电容器，它的两个电极之间的PN结电容大小随加到变容二极管两端反向电压的改变而变化。当加到变容二极管两端的反向电压增大时，变容二极管的容量减小。由于变容二极管具有这一特性，所以它主要用于电调谐回路（如彩色电视机的高频头）中，作为一个可以通过电压控制的自动微调电容器。

选用变容二极管时，应着重考虑其工作频率、最高反向工作电压、最大正向电流和零偏压结电容等参数是否符合应用电路的要求，应选用结电容变化大、高 Q 值、反向漏电流小的变容二极管。

2. 二极管元器件的识别和检测

1）二极管元器件的识别

晶体二极管在电路中常用 VD 加数字表示，如 VD5 表示编号为 5 的二极管。

（1）小功率二极管的负极通常在表面用一个色环标出；有些二极管也采用P、N符号来确定二极管极性，其中，P表示正极，N表示负极。金属封装二极管通常在表面印有与极性一致的二极管符号；发光二极管则通常用引脚长短来识别正负极，长脚为正，短脚为负。

（2）整流桥的表面通常标注内部电路结构或者交流输入端以及直流输出端的名称，交流输入端通常用 AC 或者～表示；直流输出端通常以+、-符号表示。

2 ）二极管的检测

（3）贴片二极管由于外形多种多样，其极性也有多种标注方法：在有引线的贴片二极管中，管体有白色色环的一端为负极；在有引线而无色环的贴片二极管中，引线较长的一端为正极；在无引线的贴片二极管中，表面有色带或者有缺口的一端为负极。

用数字万用表的二极管挡检测二极管时，将数字万用表置在二极管挡，然后将二极管的负极与数字万用表的黑表笔相接，正极与红表笔相接，此时显示屏上即可显示二极管正向压降值。不同材料的二极管的正向压降值不同：硅二极管为0.55～0.7V，锗二极管为0.15～0.3V。若显示屏显示0000，说明管子已短路；若显示0L或者“过载”，说明二极管内部开路或处于反向状态，此时可对调表笔再测。

3. 二极管元器件的主要参数

二极管元器件的主要参数包括额定正向工作电流、最大浪涌电流、最高反向工作电压、反向电流、反向恢复时间和最大功率。

1 ）额定正向工作电流

额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为 $ 140^{\circ} $C左右，锗管为 $ 90^{\circ} $C左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的1N4001型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2 ）最大浪涌电流

最大浪涌电流是允许流过的过量正向电流。它不是正常工作电流，而是瞬间电流，这个值通常为额定正向工作电流的20倍左右。

3 ）最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，管子将会击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，1N4001二极管反向耐压为50V，1N4007的反向耐压为1000V。

4 ）反向电流

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，允许流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是，反向电流与温度有着密切的关系，温度大约每升高 $ 10^{\circ} $C，反向电流增大一倍。例如，2AP1型锗二极管：

（1）在 $ 25^{\circ} $C 时，反向电流为 $ 250\mu A $ 。

（2）温度升高到 $ 35^{\circ} $C，反向电流将上升到 $ 500\mu A $

（3）在 $ 75^{\circ} $C 时，它的反向电流已达 $ 8 \, mA $，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

5 ）反向恢复时间

从正向电压变成反向电压时，理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的长短，就是反向恢复时间，虽然它直接影响到二极管的开关速度，但不一定说这个值越小就越好。

6 ）最大功率

最大功率就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流，这个极限参数对稳压二极管等显得特别重要。

4. 二极管元器件 PCB 封装的标示

二极管元器件主要有直插式、贴片式两种，二极管根据种类在原理图中的符号常见有DIODE、DIODE SHOTTIKY、DIODE TUNNEL、ZENERE1、ZENERE2、ZENERE3等。

1 ）直插式二极管元器件

如图 7-37 所示，其中，阳极对应 A，阴极对应 K。在 AD 软件的 PCB 库中，经常选用 DIODE0.4 和 DIODE0.7 系列的封装，其中，0.4 指两焊盘之间的距离为 0.4in。

2 ）贴片式二极管元器件

下面给出了常见贴片二极管的封装和参数。图7-38给出了SOT-23贴片二极管的封装，图7-39给出了SOD-123贴片二极管的封装，图7-40给出了SMA、SMB、SMC贴片二极管的封装，图7-41给出了 $ D^{2} $PAK贴片二极管的封装。

7.3.5 三极管元器件特性及封装

半导体三极管也称为晶体三极管或晶体管，在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP或NPN结构。中间的N区或P区叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子元器件。

1. 三极管元器件的分类

晶体三极管的种类很多，分类方法也有多种，下面按用途、频率、功率、材料等进行分类。

1 ）按材料和极性分

（1）硅材料的有 NPN 与 PNP 三极管。

（2）锗材料的有 NPN 与 PNP 三极管。

2 ）按用途分

按用途可分为高频放大管、中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开关管、高反压管、达林顿管、带阻尼的三极管等。

3 ）按功率分

按功率可分为小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。

4 ）按工作频率分

按工作频率可分为低频三极管、高频三极管和超高频三极管。

5 ）按制作工艺分

按制作工艺可分为平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。

6 ）按外形封装分

按外形封装可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。

2. 三极管元器件的识别和检测

市场上有各种类型的晶体三极管，引脚的排列不尽相同。在使用中不确定引脚排列的三极管时，必须进行测量，或查找晶体管使用手册，明确三极管的极性及相应的技术参数。

下面主要介绍用数字万用表检测三极管：

（1）将数字万用表拨至二极管挡，红表笔固定任接某个引脚，用黑表笔依次接触另外两个引脚，如果两次显示值均小于1V或都显示溢出符号OL或1，若是PNP型三极管，则红表笔所接的引脚就是基极B。如果在两次测试中，一次显示值小于1V，另外一次显示溢出符号OL或1（视不同的数字万用表而定），则表明红表笔接的引脚不是基极B，此时应改换其他引脚重新测量，直到找出基极为止。

（2）用红表笔接基极，用黑表笔先后接触其他两个引脚，如果显示屏上的数值都显示为0.6~0.8V，则被测管属于硅NPN型中、小功率三极管；如果显示屏上的数值都显示为0.4~0.6V，则被测管属于硅NPN型大功率三极管。其中，显示数值较大的一次，黑

表笔所接的电极为发射极。在上述测量过程中，如果显示屏上的数值显示都小于0.4V，则被测管属于锗三极管。

（3） $ H_{\text{FE}} $是三极管的直流电流放大倍数。用数字万用表可以方便地测出三极管的 $ H_{\text{FE}} $，将数字万用表置于HFE挡，若被测管是NPN型管，则将管子的各个引脚插入NPN插孔相应的插座中，此时屏幕上就会显示出被测管的 $ H_{\text{FE}} $值。

3. 三极管元器件的主要参数

三极管元器件的主要参数包括：

（1）特征频率 $ f_{T} $。当 $ f=f_{T} $ 时，三极管完全失去电流放大功能。如果工作频率大于 $ f_{T} $，电路将不正常工作。

（2）工作电压或电流。用这个参数可以指定该晶体管的电压和电流使用范围。

（3）电流放大倍数 $ H_{FE} $

（4）集电极发射极反向击穿电压，表示临界饱和时的饱和电压 $ V_{CEO} $

（5）最大允许耗散功率 $ P_{CM} $。

4. 三极管元器件的 PCB 封装的标示

三极管的封装形式与尺寸和功率有关，功率越大通常外形越大。

1 ）直插式三极管

如图 7-42 所示，常见直插式的三极管封装有 TO-92（普通三极管）、TO-220（大功率三极管）、TO-3（大功率达林顿管）等。

2 ）贴片式三极管

贴片式三极管的封装常见为小外形晶体管(small outline transistor, SOT)封装，如SOT-23、SOT-1123、SOT-732、SC-70、SC-88、SC-89等，以及小外形封装(small outline package, SOP)等系列。图7-43给出了SOT-23贴片三极管的封装；图7-44给出了SC-70贴片三极管的封装图；图7-45给出了 $ D^{2} $PAK贴片三极管封装。

7.4 集成电路芯片封装

半导体集成电路的数量很多，封装形式更是无数，主要形式有贴片式和直插式两种：

（1）常用的直插式封装：双列直插 DIP 系列和引脚栅格阵列 PGA 系列等。

（2）常用的贴片式封装：PLCC、QUAD、SOJ、BGA、SPGA 等系列，其中，QUAD 包含 QFP、TQFP、SQFP 等子系列。

下面详细介绍。

1. 双列直插形式封装(dual inline package, DIP)

图 7-46 给出了一个典型的 DIP 封装外形图及其封装参数。绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，DIP 封装的元器件适合在 PCB 上穿孔焊接，操作方便。但是芯片面积与封装面积之间的比值较大，体积也较大。

2. 单列直插式封装(signal inline package, SIP)

如图 7-47 所示，SIP 引脚从封装一个侧面引出，排列成一条直线。通常，它们是通孔式的，引脚插入印制电路板的金属孔内，当装配到印制基板上时封装呈侧立状。

这种形式的一种变化是锯齿形单列式封装 ZIP，它的引脚仍是从封装体的一侧伸出，但排列成锯齿形。这样，在一个给定的长度范围内，提高了引脚密度，引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从2至23，多数为定制产品。

封装的形状各异，也有的把形状与 ZIP 相同的封装称为 SIP。

3. 四侧引脚扁平封装(quad flat package, QFP)

图 7-48 给出了 QFP 的封装外形，其引脚从四个侧面引出呈海鸥翼 (L) 形，并给出了一个典型的 QFP 封装的外形尺寸。一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形

式，其引脚数一般都在100以上。其特点主要包括：

（1）该技术实现的引脚之间距离很小，引脚很细。

（2）该技术封装时操作方便，可靠性高。

（3）其封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用。

（4）该技术主要适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线。

4. 小外形封装(small outline package, SOP)

如图 7-49 所示，SOP 是一种表面贴装型封装，其引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状（L形）。SOP 器件又称为小外形集成电路（small outline integrated circuit，SOIC），是 DIP 的缩小形式，引线中心距为 1.27mm，材料有塑料和陶瓷两种。SOP 也叫 SOL 和 DFP，SOP 封装标准有 SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28 等，SOP 后面的数字表示引脚数，业界往往把 P 省略，叫小外形（small outline，SO）。另外，还派生出 SOJ（J 型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOPC（甚小外形封装）、SSOP（缩小型 SOP）、TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。

5. 带引线的塑料芯片载体（plastic leaded chip carrier，PLCC）

图 7-50 给出了 PLCC 封装的外形尺寸，其外形呈正方形，32 脚封装，引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品，外形尺寸比 DIP 封装小得多，并给出了一个典型

电路设计、仿真与PCB设计

PLCC 封装的外形尺寸。

PLCC 封装适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

6. 插针网格阵列封装(pin grid array package, PGA)

如图 7-51 所示，这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据引脚数目的多少，可以围成 2～5 圈。安装时，将芯片插入专门的 PGA 插座。

多数为陶瓷 PGA，用于高速大规模逻辑 LSI 电路，成本较高。引脚中心距通常为 54mm，引脚数为 64～447。为了降低成本，封装基材可用玻璃环氧树脂印刷基板代替，也有 64～256 引脚的塑料 PGA。

7. 球极阵列封装(ball grid array package, BGA)

如图 7-52 所示，BGA 封装在封装底部，引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案。

其特点主要有：

（1）I/O数较多，可极大地提高器件的I/O数，缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。

（2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。

（3）BGA 的阵列焊球与基板的接触面大，有利于散热。

（4）BGA 阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。

（5）明显地改善了 I/O 端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。

（6）BGA 适用于 MCM 封装，能够实现 MCM 的高密度、高性能。

（7）BGA 比细节距的脚形封装的 IC 牢固可靠。

8. 栅格阵列封装(land grid array, LGA)

如图 7-53 所示，用金属触点式封装取代了以往的针状插脚，其原理就像 BGA 封装一样，只不过 BGA 是用锡焊死的，而 LGA 则是可以随时解开扣架更换芯片。

9. 极小空间的片芯级封装(chip scale BGA package, CSP)

CSP 是芯片级封装的意思。CSP 封装最新一代的内存芯片封装技术，其技术性能又有了新的提升。CSP 封装可以让芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14，已经相当接近 1:1 的理想情况，绝对尺寸也仅有 $ 32mm^{2} $，约为普通的 BGA 的 1/3，仅仅相当于 TSOP 内存芯片面积的 1/6。与 BGA 封装相比，同等空间下 CSP 封装可以将存储容量提高三倍。如图 7-54 所示为 0.5mm 球栅间距 CSP 封装参数。

7.5 自定义元器件设计流程

在电路原理图和 PCB 设计过程中，设计软件会提供一些基本的元器件符号或封装库，针对新型的器件或软件中没有存在的元器件，需要自行设计元器件符号及封装。下面就针对 AD 软件介绍自定义元器件设计流程。

图 7-55 给出了 AD 元器件创建的流程。AD 软件包含若干的元器件库，这些库通常按照工程和元器件厂商进行分类。每个元器件库又包含很多电子元器件模型。从图中可以看出，一个完整的元器件模型应该包含原理模型、PCB 模型、SPICE 模型、IBIS 模型。通过 AD 软件，将这些模型进行相互的对应和映射。

下面对 AD 相关的库及功能进行说明。

1. Schematic Libraries(原理库)(*.SchLib)

可以在 AD 软件主界面主菜单下，通过选择 File→Open 来打开原理库。原理库中保存着用于绘制电路原理图所需要元器件的原理图符号描述。

2. PCB Libraries(PCB 库)(*.PcbLib)

可以在 AD 软件主界面主菜单下，通过选择 File→Open 来打开 PCB 库。PCB 库中保存着用于绘制电路印制电路板（PCB）图所需要的元器件的物理封装描述。

3. Integrated Libraries(集成库)(*.IntLib)

该库是已经被编译过的二进制文件。设计者不能对这些二进制文件进行编辑。如

如果想打开一个集成的库，必须对这个集成库进行反编译。通过对集成库的反编译，提取所有的源库，创建一个新的库封装。AD提供的库都是集成库。

4. Database Libraries(数据库的库)(*.DBLib)

DBLib 用于和 ODBC 或者 ADO 数据库进行链接。DBLib 是对数据库的引用，保存 DBLib 用于符号参考、模型链接和参数信息。DBLib 中的每个记录代表一个元器件，该记录保存了所有的参数，以及用于模型的链接。这个记录也包含了库或者其他厂商元器件数据的链接。使用这种方法，原理图元器件只用于一个符号。元器件模型包括引脚、3D 模型和仿真模型、保存在标准的原理图库文件，以及 PCB 库文件等。通过在 Libraries 面板中安装一个新的 DBLib 文件，可以从数据库中放置元器件。配置 DBLib 文件，用于对元器件数据库的引用。

5. Subversion Database Libraries(Subversion 版本数据库)(*.SVNDBLib)

SVNDBLib 和 DBLib 类似，然而在 Subversion 数据库中，所有链接的符号和引脚数据是由版本控制的。由于这个原因，在 SVN 数据库中，每个符号和引脚分别保存在 $ * $.SchLib 和 $ * $.PcbLib 文件中。

虽然 AD 提供了大量的元器件的库模型，设计者可以直接使用。但是，当软件中没有提供设计者所需要的元器件的库模型时，设计者就需要根据 AD 的元器件设计流程，定制元器件模型，并且将该定制元器件中的不同模型进行映射。

对于一个使用 AD 软件进行电路设计的设计者来说，必须要熟练掌握自定义元器件库的设计流程，在下面的章节将详细介绍这些设计流程。