PCBブログ - 混合信号PCBボードの分配設計について

混合信号の設計 PCBボード は非常に複雑だ。コンポーネントのレイアウトと配線、電源および接地線の取扱いと同様に、回路性能と電磁両立性性能に直接影響する。本文で説明したグランドとパワーの分配設計は混合信号回路の性能を最適化できる。ディジタル信号とアナログ信号の相互干渉を低減する方法はなんですか。電磁両立性（EMC）の2つの基本原則は、設計の前に理解されなければならない。第1の原理は、電流ループの面積を最小化することである。第2の原理は、システムが1つの基準面だけを使用するということである。システムに2つの参照面があるなら、小型ダイポールアンテナの放射サイズは、ワイヤの長さに比例する。そして、小さいループが戻るとき、信号ができるだけ遠くに通過することができないならば、大きなループアンテナを形成することが可能だ。これらの状況の両方は、デザインの可能な限り避けるべきである。デジタルおよびアナロググラウンド間の絶縁がなしとげられることができるために、混合シグナル回路基板上のデジタルおよびアナロググラウンドを切り離すことは示唆された。この方法は可能ですが、潜在的な問題が多い, 特に複雑な大規模システムだ。重要な問題は、配線がスプリットギャップを横切ることができないことである。一旦配線が交差するならば、電磁放射と信号クロストークは劇的に増加する。一般的な問題 PCBボード デザインは、信号線がEMI問題を発生させるために分割された地面または電源を横切るということだ。

我々は、上記の分割方法を使用し、信号線は、信号電流の戻り経路とは何か、2つの理由の間のギャップをまたぐ？分割された2つのグラウンドがどこか（通常はある場所の単一点接続）に接続されていると仮定すると、この場合、接地電流は大きなループを形成する。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発生する。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妨げられるのは非常に簡単である。残念なことに、分割グラウンドが電源において、一緒に接続されるときに、非常に大きい電流ループは形成される。さらに、アナロググランドとデジタルグラウンドとは、長いワイヤで接続されてダイポールアンテナを形成する。どこでどのように現在の地面に戻るの知っているミックス信号ボード設計を最適化するためのキーです。多くの設計エンジニアは、信号電流が流れる場所を考慮するだけで、電流の特定の経路を無視する。グランド層が分割されなければならない、そして、配線が分割の間でギャップを通って発送されなければならないならば、一つの点接続は2つの敷地の間の接続ブリッジを形成して、それから接続ブリッジを通して発送されるために分割された敷地の間で作られることができる。これにより、各信号線の下に直流帰還経路を設けることができ、形成されるループ面積が小さくなる。分裂間隙を横切る信号も、光アイソレータまたは変圧器を使用して達成することができる。前者は、分割ギャップを横切る光信号であるトランスの場合、分割ギャップを横切る磁界である。もう一つの可能なアプローチは差動信号を使用することだ。シグナルは1つの線から流れて、もう一方から帰る。ディジタル信号のアナログ信号への干渉を深く探索するためには、まず高周波電流の特性を理解しなければならない。高周波電流は常に信号の直下のインピーダンス（インダクタンス）を選択するので、隣接する層が電力または接地面であるかどうかにかかわらず、リターン電流は隣接する回路層を通って流れる。

実際には、一般的にグラウンドを使用することが好ましいが、PCBボードは、アナログ部分とデジタル部分とに分割される。アナログ信号は、ボードの全ての層上のアナログ領域においてルーティングされ、デジタル信号はデジタル回路領域においてルーティングされる。この場合、デジタル信号戻り電流はアナログ信号グランドには流れない。デジタル信号がボードのアナログ部分の上に発送されるときにだけ、デジタル対アナログ干渉は発生する。そして、アナログ信号はボードのデジタル部分を通じて発送される。この問題は、スプリットグラウンドがないからではなく、本当の理由は、デジタル信号の不適切な配線だ。PCBボード設計は統一グラウンドを採用している。ディジタル回路とアナログ回路の分割と適切な信号配線を通じて、通常、いくつかの困難なレイアウトと配線問題が解決でき、グランド分離によるトラブルが発生しない。この場合、コンポーネントのレイアウトと分割はデザインの品質を決定するための鍵になる。適切なレイアウトでは、デジタルグランド電流は、ボードのデジタル部分に制限され、アナログ信号を妨げることはない。このような配線を慎重にチェックし、100 %の配線規則を遵守するためにチェックしなければならない。さもなければ、不適切に発送された信号線は、それ以外の非常に良い回路基板を完全に破壊することができる。A／D変換器のアナロググランドと接地グランドピンとを接続する場合、AGNDおよびDGNDピンは、短いリードで同じ低インピーダンスグランドに接続されることを、ほとんどのA／Dコンバータメーカーは推奨する。（注：大部分のA／D変換器チップは、アナロググラウンドおよびデジタルグラウンドを一緒に接続しないので、アナログおよびデジタルグラウンドは外部ピンを介して接続されなければならない）、DGNDに接続された任意の外部インピーダンスが寄生キャパシタンスを通過する。より多くのデジタルノイズは、IC内部のアナログ回路に結合される。この勧告に続いて、A／D変換器のAGNDおよびDGNDピンの両方をアナロググラウンドに接続する必要があるが、このアプローチは、デジタル信号デカップリングコンデンサのグラウンドがアナロググラウンドまたはデジタルグラウンドに接続されるべきであるかのような問題を引き起こす。システムが1つのA／Dコンバータを有する場合、上記の問題は解決するのが簡単である。上の図3に示すように、アースを分割し、A／D変換器の下で一緒にアナロググラウンドおよびデジタルグラウンドセクションを接続する。この方法をとる場合、2つの接地間の接続ブリッジの幅はICの幅と同じであり、信号線が分割ギャップを横切ることがないことを保証する必要がある。多くのA／Dコンバータが系にある場合、例えば、10 A / Dコンバータを接続する方法はなんですか？アナログアースとデジタルグランドをそれぞれのA／D変換器の下に接続すると、多点接続ができ、アナロググランドとデジタルグランドとの間のアイソレーションが無意味となる。そして、あなたがこのように接続しないならば、あなたはメーカーの要件に違反している。解決は統一された地面から始めることだ。図4に示すように、統合されたグランドは、アナログ部分とデジタル部分に分割される。この種のレイアウト及び配線は、アナログ接地及びデジタル接地ピンの低インピーダンス接続のためのICデバイス製造業者の要求を満たすだけでなく、EMC問題を引き起こすループアンテナ又はダイポールアンテナを形成しない。

混合信号のPCB設計のための統一接地方法に疑問がある場合は、接地層をレイアウトに分割し、回路基板全体を配線する方法を使用することができる。設計するときは、回路基板を後の実験で使いやすいように注意してください。間隔は、1 / 2インチのジャンパーまたは0オームの抵抗器が一緒に分割根拠を接続するより小さい。分配とルート設定に注意してください。そして、デジタル信号線がアナログ部分の上にないことを確認する。そして、アナログ信号線はすべての層の上でデジタルセクションの上にない。また、信号線はグランドギャップにまたがったり、電源間のギャップを分割することはできない。ボードの機能とEMCパフォーマンスをテストするために、そして、0オームの抵抗器またはジャンパーを通して一緒に2つの地面をつなぐことによって、機能とEMCパフォーマンスのために板を再テストしてください。試験結果を比較すると，ほとんどすべての場合において，統一解は関数とemc性能に関して分割解より優れていることが分かった。土地を分割する方法は、まだ役に立ちますか？このアプローチは、3つの状況で使用することができる。いくつかの医療機器は、患者に接続された回路とシステムとの間の低リーク電流を必要とする。いくつかの工業プロセス制御装置出力は、雑音の多い。そして、高出力の電気機械装置に接続されることができる別の状況は、PCBボードのレイアウトが特定の制約を受けるときである。混合信号PCBと分割された電力面に別々のデジタルおよびアナログ電源があり、使用されるべきである。しかし、電源層に隣接した信号線は、電源間のギャップをまたぐことができず、ギャップを横切る全ての信号線は、大面積グラウンドに隣接する回路層上に位置しなければならない。場合によっては、プレーンの代わりにPCB接続ラインとしてアナログ電源を設計することは、電力面を分割する問題を回避することができる。

混合信号PCB設計は複雑なプロセスである。設計プロセスには以下の点が注目される。

1）PCBボードを別のアナログ部品とデジタル部品に分割する。

2）適切な部品配置。

3 ) A / D変換器はパーティションにまたがって配置される。

4）地面を分けるな。ボードのアナログとデジタル部分の下で均一な地面を走らせる。

5）ボードの全ての層において、デジタル信号はボードのデジタル部分においてのみルーティング可能である。

6）ボードの全ての層において、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することができる。

7）アナログ・ディジタルパワースプリットを実現。

8）配線は分割パワープレーン間のギャップに余裕がない。

9）分割電源間のギャップを横切る必要のある信号線は、大面積グランドに隣接する配線層上に位置する。

10）実際に流れるリターン電流の経路と方法を解析する。

11) 正しい PCBボード 配線規則を使う。

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