要約：ミックスドシグナル回路の設計 PCB 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。 この記事で紹介するグランドとパワー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相互干渉を減らす方法は？ 設計する前に、電磁両立性（EMC）のXNUMXつの基本原則を理解する必要があります：最初の原則は、電流ループの領域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は、ダイポールアンテナを形成できます（注：小さなダイポールアンテナの放射サイズは、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）。 信号が可能な限り通過できない場合小さなループの戻りが大きなループアンテナを形成する可能性があります（注：小さなループアンテナの放射サイズは、ループ面積、ループを流れる電流、および正方形に比例します周波数の）。 設計では、これらXNUMXつの状況を可能な限り回避してください。

ミックスドシグナル回路基板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をお勧めします。 この方法は実行可能ですが、特に複雑な大規模システムでは、多くの潜在的な問題があります。 最も重大な問題は、分割ギャップを越えてルーティングできないことです。 分割ギャップがルーティングされると、電磁放射と信号クロストークが急激に増加します。 PCB設計で最も一般的な問題は、信号線が分割されたグランドまたは電源と交差し、EMIの問題を発生させることです。

ミックスドシグナルPCBのパーティション設計を実現する方法

図1に示すように、上記の除算方法を使用し、信号線はXNUMXつのグラウンド間のギャップを横切ります。 信号電流のリターンパスは何ですか？ 分割されたXNUMXつのアースがどこかで接続されていると仮定すると（通常は特定の場所での単一点接続）、この場合、アース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。 低レベルのアナログ電流が大きなループを流れる場合、電流は外部信号によって簡単に干渉されます。 最悪のことは、分割されたグランド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。 また、アナログアースとデジタルアースを長線で接続してダイポールアンテナを形成しています。

電流がグランドに戻る経路と方法を理解することは、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、信号電流が流れる場所のみを考慮し、電流の特定の経路を無視します。 グラウンド層を分割する必要があり、配線を分割間のギャップを介して配線する必要がある場合は、分割されたグラウンド間で一点接続を行ってXNUMXつのグラウンド間に接続ブリッジを形成し、接続ブリッジを介して配線することができます。 。 このようにして、各信号線の下に直流戻り経路を設けることができるので、形成されるループ面積は小さい。

光絶縁デバイスまたはトランスを使用することで、セグメンテーションギャップ全体で信号を実現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を通過するのは光信号です。 変圧器の場合、セグメンテーションギャップを横切るのは磁場です。 もうXNUMXつの実行可能な方法は、差動信号を使用することです。信号はXNUMXつのラインから流入し、別のシグナルラインから戻ります。 この場合、リターンパスとして地面は必要ありません。

デジタル信号のアナログ信号への干渉を深く探求するには、まず高周波電流の特性を理解する必要があります。 高周波電流の場合、常にインピーダンスが最小（インダクタンスが最小）で信号の真下のパスを選択します。これにより、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、戻り電流が隣接する回路層を流れます。 。

実際の作業では、一般的に統一されたグランドを使用し、PCBをアナログ部分とデジタル部分に分割する傾向があります。 アナログ信号は回路基板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、デジタル信号のリターン電流はアナログ信号のグランドに流れません。

デジタル信号が回路基板のアナログ部分に配線されているか、アナログ信号が回路基板のデジタル部分に配線されている場合にのみ、デジタル信号のアナログ信号への干渉が現れます。 分割されたアースがないため、このような問題は発生しません。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一されたグランドを採用し、通常、いくつかのより困難なレイアウトと配線の問題を解決できますが、同時に、グランド分割によって引き起こされる潜在的な問題を引き起こすことはありません。 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が、設計の長所と短所を決定するための鍵になります。 レイアウトが適切であれば、デジタル接地電流は回路基板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、配線規則が100％遵守されていることを確認するために、注意深く検査および検証する必要があります。 そうしないと、信号線の不適切なルーティングによって、他の点では非常に優れた回路基板が完全に破壊されます。

A / Dコンバータのアナロググランドピンと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次のことを提案します。AGNDピンとDGNDピンを最短のリード線を介して同じ低インピーダンスグランドに接続します。 （注：ほとんどのA / Dコンバータチップはアナロググランドとデジタルグランドを一緒に接続しないため、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通過させます。 より多くのデジタルノイズがIC内のアナログ回路に結合されます。 この推奨事項によれば、A / DコンバータのAGNDピンとDGNDピンをアナロググランドに接続する必要がありますが、この方法では、デジタル信号デカップリングコンデンサのグランド端子をアナロググランドに接続する必要があるかどうかなどの問題が発生します。またはデジタルグラウンド。

ミックスドシグナルPCBのパーティション設計を実現する方法

システムにA / Dコンバータが3つしかない場合、上記の問題は簡単に解決できます。 図XNUMXに示すように、グランドを分割し、A / Dコンバータの下でアナロググランドとデジタルグランドを接続します。 この方法を採用する場合、XNUMXつのグランド間の接続ブリッジの幅がICの幅と同じであり、信号線が分割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？ アナロググランドとデジタルグランドを各A / Dコンバータの下で相互に接続すると、マルチポイント接続が生成され、アナロググランドとデジタルグランドを分離しても意味がありません。 この方法で接続しないと、メーカーの要件に違反します。