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PCB設計における単点接地設計方法と技術

プリント基板は信号接地の設計に非常に重要である。接地設計が適切でない場合、PCB回路基板は使用中に接地ノイズと電磁放射を発生し、製品の全体的な電気性能に重大な影響を与える。

そこで、編集者は本強回路技術を招待して、単点接地、多点接地、混合接地、アナログ回路接地、デジタル回路接地などの多方面からPCBプリント基板接地の設計構想を紹介します。設計方法と技術。誠意がこもっていると言えますし、干物も少なくありません。

紙面の制約から、今日はまず回路基板における単点接地の設計方法についてお話しします。

単一点接地接続とは、PCB製品の設計過程において、接地回路を単一の基準点に接続することを意味する。この厳密な接地設定の目的は、2つの異なるサブシステム（異なる基準レベルを有する）からの電流とRF電流が同じリターン経路を通過することを防止し、それによって共インピーダンス結合をもたらすことである。

コンポーネント、回路、相互接続などが1 MHz以下の周波数範囲で動作する場合、単一点接地技術の使用が最も良く、これは分散型伝送インピーダンスの影響が最小であることを意味する。より高い周波数では、リターンパスのインダクタンスは無視できなくなります。周波数がより高い場合、電力平面と相互接続トレースのインピーダンスはより顕著になる。回線長が信号の1/4波長の奇数倍であれば（波長は周期信号の立ち上がりエッジレートによって決まる）、これらのインピーダンスは非常に大きくなる可能性がある。電流リターン経路には有限のインピーダンスが存在し、電圧降下が発生し、望ましくない無線周波数電流が発生する。これはPCB高周波回路基板の中で特に際立っている。

無線周波数インピーダンスの顕著な影響により、これらのトレースと接地導体はループアンテナのように動作し、放射エネルギーの大きさはループアンテナの大きさに依存する。カールしたループは、形状にかかわらずアンテナです。したがって、周波数が1 MHzよりも高い場合は、通常、単一点接地技術は使用されない。下図1において、単点接地技術には、直列接地と並列接地の2つの方法がある。直列接地はカスケードチェーン構造であり、各サブシステムの接地基準間の共通インピーダンス結合を可能にする。周波数が1 MHzを超えると、これは合理的ではありません。同図は接地回路中のインダクタンスのみを描いており、分布容量はこの3つの接地回路にも存在する。インダクタンスと容量が同時に存在すると共振が発生する。この構造では、3つの異なる共振が存在する可能性があります。

PCB設計における単一点接地方法

直列接地では、最終帰還経路L 1を通る総電流はI 1+I 2+I 3である。I 1（VA）とI 3（VC）の電圧はゼロではなく、以下の式で定義されるVA=（I 1+I 2+I 3）λL 1

Vc=（I1+I2+I3）ÍL1+

この広く使用されている構造では、大電流は有限インピーダンス上に電圧降下を生じる。回路と参照構造との間の電圧参照は、システムが予想通りに動作するのを防ぐのに十分である可能性がある。

PCB基板の設計段階では、設計者は単点接地を用いた直列接地技術における隠れた問題に注意しなければならない。異なる電力レベルの回路が複数ある場合は、高電力回路は大きな接地電流を発生させ、低電力デバイスや回路に影響を与えるため、この接地技術を使用することはできません。このような接地方式を採用しなければならない場合、最も感度の高い回路は電源入力位置に直接設置し、できるだけ低電力デバイスや回路から離れなければならない。

1つのより良い1点接地方法は、並列接地である。しかし、この方法を使用することには、各電流リターン経路が異なるインピーダンスを持つ可能性があるため、グラウンドノイズ電圧が増幅されるという欠点がある。複数のプリント基板を組み合わせて使用する場合、または最終製品で複数のサブアセンブリを使用する場合、特にこれらの配線が相互接続に使用されている場合、回路は非常に長い可能性があります。これらの接地線も大きなインピーダンスを持つ可能性があり、これは低抵抗接地接続の所望の効果を損なうことになる。

複数のプリント基板がこのように並列接続されている場合、厳しい接地で問題が解決できると考えられていますが、放射線テストに合格できないことが実証されています。直列接続と同様に、各回路は地面に分布する容量を持っている。このレイアウトを使用する場合、設計者は実際には実現しにくいが、各地上への帰還経路のインダクタンス値をほぼ同じにしなければならない。このように、各回路と接地との間の共振はほぼ同じであるべきであり、これにより回路動作の多重共振に影響を与えることはない。単一点接地技術を使用する別の問題は放射結合である。この現象は、ワイヤ間、ワイヤとプリント基板間、またはワイヤとハウジング間で発生する可能性があります。RF放射結合に加えて、電流リターン経路間の物理的距離に応じてクロストークが発生する可能性がある。この結合は容量またはインダクタンスの形で現れることができる。クロストークの程度は戻り信号の周波数範囲に依存し、高周波成分の放射は低周波成分の放射よりも深刻である。

単一点接地技術はオーディオ回路、アナログ装置、工業周波数と直流電源システム、プラスチックパッケージ製品によく見られる。単一点接地技術は一般的に低周波に用いられるが、PCB高周波回路基板やシステムにも用いられることがある。設計者が異なる接地構造におけるインダクタンスに関連するすべての問題を認識した場合、この応用は可能である。