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。

幾十年前在Cadence OrCAD中發明的那些異質元件可將連接器斷開成不同的區塊(chunks),也可維持電路圖的流程,同時仍確保每條電線連到正確的連接器(圖6)。現在,可以確定你的電路圖流程順序由左至右,會使其他工程師更容易理解。5年後,當你回頭再看的時候也能容易理解。

20170410NT01P6 圖6 如果將所有連接器只畫成一個元件符號符號,會使電路圖難以理解(a)。使用OrCAD的異質元件功能,或Altium/CircuitStudio的元件「模式」,你可以斷開連接器,使電路流程示意圖更清楚、也更一目瞭然(b)。

另一個考慮因素是複雜元件的清楚明瞭程度,如電源開關晶片。即使將輸入端移動到左側而輸出端移動到右側,仍無法知道元件如何運作。針對此問題,你可以在符號框內繪製一個簡單的圖,以提示該元件的功能,它不必是資料表中的方塊圖,僅用一個簡單的標示,以提醒你和其他人該元件的功能。

仍有其他慣用的電路符號是因個人偏好設計出來的,並不是良好的做法。我一向喜歡電晶體被放在圓圈內的符號標示。再次重申,由於那些半導體人必須畫出數百個電晶體,所以把圓圈省略掉,但我認為這些圓圈有其存在的重要性。同樣地,當電路互相交叉時,我一向喜歡使用跳接來標示,這代表另一個意思:沒有四向結點(four-way ties)。我曾經鑽研過FAXed電路圖,如果電路走線只是交叉而不是連接在一起,可以保證不看到四向結點。但我猜錯了,而且它花了我一天做確認。如果所有電路圖都有跳接標示,沒有四向結點的規則就不那麼重要。令我高興的是,最近的Altium/CircuitStudio版本可以顯示跳接標示,以及能自動防止四向結點的發生,如圖7。

20170410NT01P7 圖7 像我這樣的老人喜歡在沒有連接的電線上標示跳接。

須注意,四向結點是電路圖的禁忌。當GND連接到晶片時,Altium/CircuitStudio偏好建立電路跳接標示,並且消除電線偏移(wires offset)來避免交叉結點(cross-tie)。請注意,資料庫元件的左側為輸出端,右側為輸入端,與你想要的完全相反。

當重新繪製元件符號時,我偏好使用左側規則的做法(圖8),我也使用單獨的電源和接地符號,這減少了糾纏效應(tangle effect),畢竟我們關心的是訊號流程。

20170410NT01P8 圖8 修改圖7的555定時器,將輸入端放在左側、輸出端放在右側,這樣電路圖流程會更好。單獨的電源和接地符號消除了電路纏結的問題。

大多數的工程師了解555定時器IC內部構造。但是如果你不懂,或者你認為讀電路圖的人不懂,你可以在元件內繪製部分或全部的方塊圖。Altium/CircuitStudio會讓你把一個圖像放到電路圖符號中,所以我在網路上找到了一個不錯的555定時器線上方塊圖,經過微調後放入電路圖符號。我必須依從他們的接腳圖,因此現在電路圖有了一些跳接標示,如圖9。

20170410NT01P9 圖9 你可以在元件內繪製一個方塊圖以顯示其功能,這也許如同顯示集電極開路輸出一樣簡單,或者更多相關的例子,例如在電源開關晶片內顯示功能,一些CAD套件允許你在元件內放置圖像。

這提出了一個好觀點。你可用元件內部的方塊圖來取代整個電路圖,或是不去擔心元件內部構造,並保持一個乾淨、簡單的電路圖設計。我的想法是,試著繪製元件內的相關內容,如集電極開路輸出(open-collector output),但重要的是保持整個電路圖不混亂並易於理解。

好吧,最後一個愚蠢類比工程師的偏好。回到大學時代,約翰庫拉斯(John Kuras)曾經開玩笑說,我們應該用更粗的線條把功率電晶體畫得更大一點,我們當時都笑了起來,但現在我想說的是,TO-3電晶體變成一個大怪物,因為我們用更大的符號來表示它(圖10)。以類比人的方式來看,被標示得越大代表它越重要,這是好的表現方式。

20170410NT01P10 圖10 每個人可以看出,右邊的是功率電晶體。

電路圖符號的偏好類似對音樂的偏好,非常個人化,可說是工程師風格的一部分。有些東西,像是電晶體周圍的電路跳接和圓圈符號不是這麼重要,而左側和上方的輸入端,以及右側和下方的輸出端則更為重要。我們都會爭論如何繪製同時處理輸入和輸出的匯流排,且我認為接地符號很重要,網路上有一個應用程式說明,如果你照著符號說明將它連接到大地接地,將會燒壞二極體。

請提供你的想法,這會讓我們的工作對每個人來說更易於了解。