ミックスドシグナルPCBのパーティション設計

PCB ミックスドシグナル回路の設計は非常に複雑です。コンポーネントのレイアウトと配線、および電源とアース線の処理は、回路性能と電磁両立性性能に直接影響します。この論文で紹介したグランドと電源のパーティション設計は、ミックスドシグナル回路の性能を最適化することができます。

デジタル信号とアナログ信号間の干渉を減らす方法は？電磁両立性（EMC）のXNUMXつの基本原理は、設計前に理解する必要があります。最初の原理は、電流ループの面積を最小化することです。 XNUMX番目の原則は、システムがXNUMXつの参照面のみを使用することです。逆に、システムにXNUMXつの基準面がある場合、ダイポールアンテナを形成することができます（注：小さなダイポールアンテナの放射は、ラインの長さ、流れる電流の量、および周波数に比例します）。信号が可能な限り小さいループを通って戻らない場合は、大きな円形アンテナが形成される可能性があります。デザインでは、両方をできるだけ避けてください。

ミックスドシグナル回路基板上のデジタルグランドとアナロググランドを分離して、デジタルグランドとアナロググランドを分離することが提案されています。このアプローチは実行可能ですが、特に大規模で複雑なシステムでは、多くの潜在的な問題があります。最も重大な問題は、パーティションギャップ配線を交差させないことです。パーティションギャップ配線を通過すると、電磁放射と信号クロストークが劇的に増加します。 PCB設計で最も一般的な問題は、信号線がグランドまたは電源を横切ることによって引き起こされるEMIの問題です。

図1に示すように、上記のセグメンテーション方法を使用し、信号線はXNUMXつのグラウンド間のギャップにまたがっていますが、信号電流のリターンパスは何ですか？ XNUMXつの分割されたランドがあるポイント（通常はXNUMXつのポイントでXNUMXつのポイント）で接続されていると仮定します。この場合、地球の電流は大きなループを形成します。大きなループを流れる高周波電流は、放射と高い接地インダクタンスを生成します。大きなループを流れる低レベルのアナログ電流が外部信号によって干渉されやすい場合。最悪のことは、セクションが電源で一緒に接続されると、非常に大きな電流ループが形成されることです。さらに、長いワイヤで接続されたアナログおよびデジタルグランドはダイポールアンテナを形成します。

グランドへの電流逆流の経路とモードを理解することは、ミックスドシグナル回路基板の設計を最適化するための鍵です。多くの設計エンジニアは、電流の特定の経路を無視して、信号電流が流れる場所のみを考慮します。グラウンド層を分割する必要があり、パーティション間のギャップを介してルーティングする必要がある場合は、パーティション化されたグラウンド間でXNUMX点接続を行い、XNUMXつのグラウンド層の間に接続ブリッジを形成してから、接続ブリッジを介してルーティングできます。このようにして、直流逆流経路を各信号線の下に設けることができ、その結果、ループ面積が小さくなる。

セグメンテーションギャップを通過する信号を実現するために、光絶縁デバイスまたはトランスを使用することもできます。前者の場合、セグメンテーションギャップにまたがるのは光信号です。変圧器の場合、パーティションギャップにまたがるのは磁場です。差動信号も可能です。信号は一方のラインから流入し、もう一方のラインから戻ります。この場合、信号は不必要に逆流経路として使用されます。

デジタル信号のアナログ信号への干渉を調べるには、まず高周波電流の特性を理解する必要があります。高周波電流は常に信号の真下でインピーダンス（インダクタンス）が最も低い経路を選択するため、隣接する層が電源層であるか接地層であるかに関係なく、戻り電流は隣接する回路層を流れます。

実際には、アナログ部品とデジタル部品に均一なPCBパーティションを使用することが一般的に好まれます。アナログ信号はボードのすべての層のアナログ領域にルーティングされ、デジタル信号はデジタル回路領域にルーティングされます。この場合、デジタル信号の戻り電流はアナログ信号のグランドに流れません。

デジタル信号からアナログ信号への干渉は、デジタル信号が回路基板のデジタル部分にルーティングされるか、アナログ信号がルーティングされる場合にのみ発生します。この問題はセグメンテーションの欠如によるものではなく、本当の理由はデジタル信号の不適切な配線です。

PCB設計は、デジタル回路とアナログ回路のパーティションと適切な信号配線を介して統合されたものを使用し、通常、より難しいレイアウトと配線の問題のいくつかを解決できますが、グランドセグメンテーションによって引き起こされる潜在的な問題もありません。この場合、コンポーネントのレイアウトとパーティション分割は、デザインの品質を決定する上で重要になります。適切に配置されている場合、デジタル接地電流はボードのデジタル部分に制限され、アナログ信号に干渉しません。このような配線は、配線規則に100％準拠していることを確認するために、注意深くチェックおよびチェックする必要があります。そうしないと、不適切な信号線が非常に優れた回路基板を完全に破壊してしまいます。

A / Dコンバータのアナログおよびデジタルグランドピンを一緒に接続する場合、ほとんどのA / Dコンバータメーカーは、最短のリード線を使用してAGNDピンとDGNDピンを同じ低インピーダンスグランドに接続することを推奨しています（注：ほとんどのA / Dコンバータチップは内部でアナロググランドとデジタルグランドを接続しないため、アナロググランドとデジタルグランドは外部ピンを介して接続する必要があります）、DGNDに接続された外部インピーダンスは、寄生容量を介してIC内のアナログ回路により多くのデジタルノイズを結合しますキャパシタンス。この推奨事項に従って、A / DコンバータのAGNDピンとDGNDピンの両方をアナロググランドに接続する必要がありますが、このアプローチでは、デジタル信号デカップリングコンデンサのグランド端をアナロググランドとデジタルグランドのどちらに接続する必要があるかなどの疑問が生じます。

システムにA / DコンバータがXNUMXつしかない場合、上記の問題は簡単に解決できます。図3に示すように、グランドは分割され、アナログとデジタルのグランドセクションはA / Dコンバータの下で相互に接続されています。この方法を採用する場合、XNUMXつのサイト間のブリッジ幅がIC幅と等しく、信号線がパーティションギャップを越えないようにする必要があります。

たとえば、システムに多数のA / Dコンバーターがある場合、10個のA / Dコンバーターを接続するにはどうすればよいですか？各A / Dコンバータの下にアナログとデジタルのグランドが接続されている場合、マルチポイント接続が発生し、アナログとデジタルのグランドを分離しても意味がありません。そうしないと、製造元の要件に違反します。

最良の方法は、ユニフォームから始めることです。図4に示すように、地面はアナログ部分とデジタル部分に均一に分割されています。このレイアウトは、アナログおよびデジタルグランドピンの低インピーダンス接続に関するICデバイスメーカーの要件を満たすだけでなく、ループアンテナまたはダイポールアンテナによって引き起こされるEMC問題を回避します。

ミックスドシグナルPCB設計の統一されたアプローチに疑問がある場合は、グラウンド層パーティションの方法を使用して、回路基板全体をレイアウトおよび配線できます。設計では、後の実験で、回路基板をジャンパーまたは0/1インチ未満の間隔で配置された2オームの抵抗器と簡単に接続できるように注意する必要があります。ゾーニングと配線に注意して、すべてのレイヤーでデジタル信号線がアナログセクションの上にないこと、およびアナログ信号線がデジタルセクションの上にないことを確認してください。さらに、信号線がグランドギャップを横切ったり、電源間のギャップを分割したりしてはなりません。ボードの機能とEMC性能をテストするには、0オームの抵抗またはジャンパーを介してXNUMXつのフロアを接続することにより、ボードの機能とEMC性能を再テストします。テスト結果を比較すると、ほとんどすべての場合、統合ソリューションは分割ソリューションと比較して機能性とEMC性能の点で優れていることがわかりました。

土地を分割する方法はまだ機能しますか？

このアプローチは、次のXNUMXつの状況で使用できます。一部の医療機器は、患者に接続された回路とシステムの間に非常に低い漏れ電流を必要とします。一部の産業用プロセス制御機器の出力は、ノイズの多い高出力の電気機械機器に接続されている場合があります。もうXNUMXつのケースは、PCBのレイアウトが特定の制限の対象となる場合です。

ミックスドシグナルPCBボードには通常、別々のデジタル電源とアナログ電源があり、分割電源面を持つことができます。ただし、電源層に隣接する信号線は電源間のギャップを横切ることができず、ギャップを横切るすべての信号線は、広い領域に隣接する回路層に配置する必要があります。場合によっては、アナログ電源は、電源面の分割を回避するために、片面ではなくPCB接続で設計できます。

ミックスドシグナルPCBのパーティション設計

ミックスドシグナルPCBの設計は複雑なプロセスであるため、設計プロセスでは次の点に注意する必要があります。

1.PCBを別々のアナログ部品とデジタル部品に分割します。

2.適切なコンポーネントのレイアウト。

3. A / Dコンバーターはパーティション全体に配置されます。

4.地面を分割しないでください。回路基板のアナログ部分とデジタル部分は均一に配置されています。

5.ボードのすべての層で、デジタル信号はボードのデジタル部分にのみルーティングできます。

6.ボードのすべての層で、アナログ信号はボードのアナログ部分にのみルーティングできます。

7.アナログとデジタルの権力分立。

8.配線は、分割された電源面間のギャップにまたがってはなりません。

9.分割電源間のギャップにまたがる必要のある信号線は、広い領域に隣接する配線層に配置する必要があります。

10.アース電流の実際の経路とモードを分析します。