PCBニュース - アナログ回路とデジタル回路のPCB設計の違い

アナログ回路とデジタル回路のPCB設計配線戦略の類似点を共有しましょう。

1.バイパスまたはデカップリングキャパシタ

配線、シミュレータ、デジタルデバイスには、これらのタイプのキャパシタが必要であり、各キャパシタには電源ピンの近くに接続されたキャパシタが必要です。この値は通常、0.1華氏度です。システムの電源側には別のタイプのコンデンサが必要で、通常は10度前後です。容量値の範囲は推奨値の1/10〜10倍である。しかし、ピンは短く、デバイス（0.1華氏度のコンデンサの場合）または電源（10華氏度のコンデンサの場合）に近いはずです。回路基板にバイパスまたはデカップリングキャパシタを追加し、これらのキャパシタを回路基板上に配置することはデジタルおよびアナログ設計における常識である。しかし面白いことに、原因はそれぞれ違う。

アナログ配線設計では、バイパスコンデンサは通常、電源上の高周波信号をバイパスするために使用される。バイパスキャパシタを追加しない場合、これらの信号は電源ピンを介して敏感なアナログチップに入る可能性があります。通常、これらの高周波信号の周波数はシミュレータが高周波信号を抑制する能力を超えている。アナログ回路にバイパスコンデンサを使用しないと、ノイズが信号経路に導入され、より悪い場合には振動を引き起こす可能性があります。

コントローラやプロセッサなどのデジタル機器にもデカップリングコンデンサが必要だが、理由は異なる。これらのキャパシタの機能の1つは、「ミニ」充電グループとして機能することです。デジタル回路では、通常、ゲート状態を切り替えるために大きな電流が必要である。スイッチ過渡電流はチップ上に発生するので、回路基板を切り替えて流れるときには、追加の「待機」電荷があることが有利である。十分な電荷がない状態でスイッチング動作を実行すると、電源電圧が著しく変化します。

電圧変化が大きすぎると、デジタル信号レベルが不確定な状態になり、デジタルデバイスのステートマシンが正しく動作しない可能性があります。基板配線に流れるスイッチング電流は電圧変化を引き起こし、基板配線に寄生インダクタンスが存在する。以下の式を用いて電圧変化を計算することができる：V=LdI/dt、その中でfive=電圧変化、I=回路基板配線リアクタンス、Di＝回線を流れる電流変化、深さは電流が変化する時間である。

したがって、様々な理由から、電源または能動デバイスの電源ピンにバイパス（またはデカップリング）キャパシタを適用することが好ましい。電源と接地ケーブルを一緒にして、電磁干渉の可能性を減らす必要があります。電源ケーブルとアースが正しく一致しない場合は、システム回路が設計され、ノイズが発生する可能性があります。この回路基板では、図3を使用して、回路面積は697平方センチメートルである。示された方法を使用すると、回路基板上または外部の放射ノイズが回路内に電圧を誘起することはあまりあり得ない。

アナログドメインとデジタルドメイン間のルーティングポリシーの違い

回路基板配線の基本原理はアナログ回路とデジタル回路に適している。基本的な経験則は、完全な接地平面を使用することです。この常識は、デジタル回路におけるデータ記録／データ伝送（電流が時間とともに変化する）の影響を低減し、これにより、接地電位が変化し、ノイズがアナログ回路に入る可能性がある。デジタル回路とアナログ回路の配線技術は基本的に同じで、わずかな違いしかありません。アナログ回路では、デジタル信号線と接地面のループをアナログ回路からできるだけ離れて維持することが重要です。これは、アナログ接地面をシステム接地接続に個別に接続することによって、またはアナログ回路を回路基板の最遠端、つまり線路の端に置くことによって実現することができる。これは、信号経路の外部干渉を最小限に抑えるためです。これは、デジタル回路が接地面における大量のノイズを問題なく許容できるため、デジタル回路には必要ない。

上述したように、各PCB設計では、回路のノイズ部分は「静か」（ノイズフリー）部分から分離されている。一般的に、デジタル回路のノイズは「豊富」であり、ノイズに敏感ではない（デジタル回路は大きな電圧ノイズマージンを有するため）、一方、アナログ回路の電圧ノイズマージンははるかに低い。この両者の中で、アナログ回路はスイッチングノイズに最も敏感である。ハイブリッド信号システムの配線では、2つの回路が分離されている。

アナログ回路

2.PCB設計による寄生素子

2つの基本的な寄生素子がPCB設計に問題を引き起こしやすい：寄生容量と寄生インダクタンス。回路基板を設計する際に、2本の電線を近くに寄せると寄生容量が発生する。これは、2つの異なる階の別の線に1本の線を置くことで実現することができ、同じ階の別の線のそばに1本の線を置くことで実現することもできます。2つの配線構成では、一方の線上の電圧の時間的変化（dV/dt）が他方の線上に電流を発生させる。別の線が高インピーダンス線であれば、電界による電流は電圧に変換されます。高速電圧過渡はアナログ信号設計のデジタル側で最もよく発生する。高インピーダンスアナログ回路の近くで急速な電圧過渡が発生すると、この誤差はアナログ回路の精度に深刻な影響を与える。

このような環境では、アナログ回路には2つの欠点がある：それらのノイズマージンはデジタル回路よりはるかに低い、高インピーダンス配線はよく見られます。これは、2つの技術のうちの1つを使用することで減らすことができます。最も一般的な技術は、容量方程式に基づいて導線のサイズを変更することである。最も効果的な寸法を変更するのは、2本の線の間の距離です。

なお、容量方程式の分母における変数Dは、Dが増加するにつれて減少する。もう1つの変更可能な変数は、2本の線の長さである。この場合、長さLが小さくなるにつれて、2つの線路間のリアクタンスも小さくなる。もう1つの技術は、2つの路線の間に地線を敷設することです。接地線のインピーダンスが低く、このような追加の電線を増やすと弱くなる

3.干渉する電界

回路基板における寄生インダクタンス原理は寄生容量原理と似ている。2つの線を配置し、1つの線を別の線に置き、2つの層に分けなければならない。あるいは、図6に示すように、同じ層上の別の線に1本の線を配置する。この2つの配線構成では、配線のインダクタンスリアクタンスにより、1本の配線の電流の時間的変化（dI/dt）が同じ配線上に電圧を発生する。相互インダクタンスのために、別の回路は比例した電流を発生します。

第1の線上の電圧変化が十分に大きい場合、干渉はデジタル回路の電圧マージンを低下させ、誤差を生じる。この現象はデジタル回路だけではありませんが、大きな瞬時スイッチング電流を持つデジタル回路では一般的です。電磁干渉源の潜在的なノイズを除去するためには、「静かな」アナログラインを、騒々しい入出力ポートから分離することが望ましい。

低インピーダンスの電源と接地ネットワークを実現するためには、デジタル回路導体の誘導性リアクタンスをできるだけ減らし、アナログ回路の容量結合をできるだけ減らすべきである。

デジタルとアナログの範囲が決定されると、PCBを実装するために注意深く配線することが重要になります。配線戦略は、実験室環境で製品の最終的な成功をテストするのが難しいため、経験則として扱われることが多い。したがって、デジタル回路とアナログ回路は配線戦略上に類似点があるが、これらの違いを認識し、真剣に対応しなければならない。