PCB技術 - なぜPCB基板はデジタルグラウンドとアナロググラウンドに分かれているのか

なぜなら、それらは連動しているからです, 距離が長い, 違いは違う. 同じワイヤ上の異なる点の電圧は異なることがある, 特に電流が大きいとき. ワイヤーの抵抗のせいで, 電流が流れると電圧降下が起こる. 加えて, ワイヤはインダクタンスを分配している, そして、交流インダクタンスの影響がAC信号の下で現れる. だから我々はデジタルグラウンドとアナロググラウンドに分割する必要があります, デジタル信号の高周波ノイズは非常に大きいので, アナロググラウンドとデジタルグラウンドが混じっているならば, ノイズは、アナログ部分に送信され、干渉を引き起こす. 地面が分離されるならば, 高周波ノイズは、電源でフィルタリングすることによって分離することができる. しかし、2つの根拠が混合されるならば, フィルターをかけるのは簡単ではない. これが理由ですPCB基板デジタルグラウンドとアナロググラウンドに分けるべきです.

デジタルグラウンドとアナロググラウンドを設計する方法

設計する前に、電磁両立性（EMC）の2つの基本原則を理解しなければならない。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。反対に、システムが2つの基準面を有する場合、ダイポールアンテナを形成することが可能である（注：小さなダイポールアンテナの放射サイズは、線の長さ、電流の流れおよび周波数に比例する）。そして、信号が可能な限り通過することができないならば、小さいループの復帰は大きなループアンテナを形成するかもしれません（注：小さなループアンテナの放射サイズはループ領域、ループを通って流れる電流、および周波数の二乗に比例します）。これらの2つの状況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で、デジタル・グラウンドとアナロググラウンドを分離し、デジタルグラウンドとアナロググラウンド間の絶縁を実現することが提案されている。この方法は実現可能ではあるが、特に複雑な大規模システムでは多くの潜在的問題がある。最も重大な問題は、分割ギャップを横切って配線できないことである。分割ギャップを配線すると、電磁放射と信号のクロストークが急増する。PCB設計で最も一般的な問題は、信号線が分割されたグラウンドや電源を横切り、EMI問題を発生させることです。

我々は、上記の分割方法を使用し、信号線は、2つの敷地間のギャップを横切っている。信号電流の戻り経路は何ですか？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。大きなループを通して低レベルのアナログ電流が流れると、電流は外部信号によって容易に干渉される。最悪のことは、分割されたグラウンドが電源に接続されているとき、非常に大きな電流ループが形成されることである。さらに、アナロググランドとデジタルグラウンドは、長いワイヤによって接続されてダイポールアンテナを形成する。

グランドへの現在のリターンの経路と方法を理解することは最適化の鍵です混合信号回路 基板 デザイン.多くの設計技術者は、信号電流が流れる場所を考慮するだけである, とカレントの特定のパスを無視する.グランド層が分割されなければならないなら, そして、配線は分割間のギャップを通してルーティングされなければならない, 2つの敷地の間の接続ブリッジを形成するために、分割された敷地の間で1点接続を行うことができる, そして、接続ブリッジを通して配線する. このように, 各信号線の下に直流リターンパスを設けることができる, 形成されるループ領域が小さいように.

光アイソレーションデバイスまたは変圧器の使用は、セグメンテーションギャップを横切って信号を達成することもできる。前者にとって、それはセグメンテーションギャップを横切る光学信号である変圧器の場合、それはセグメンテーションギャップを横切る磁場である。別の実行可能な方法は、差動信号を使用することである。この場合、リターンパスとしてグランドを必要としない。

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。高周波電流については、常に最小インピーダンス（最低インダクタンス）を有する経路を選択し、信号の真下にあるので、隣接する層が電力層または接地層であるか否かに関係なく、リターン電流は隣接する回路層を流れる。実際には、一般的なグラウンドを使用する傾向があり、PCBをアナログ部とデジタル部に分けている。アナログ信号は、回路基板の全ての層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。

回路基板のアナログ部分にデジタル信号が配線されている場合のみ、またはアナログ信号が回路基板のデジタル部分に配線される場合に限り、デジタル信号のアナログ信号への干渉が現れる。このような問題は、グランドが分割されていないために発生しない。PCB設計は、デ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、統一されたグラウンドを採用しており、通常、より困難なレイアウトと配線の問題を解決することができ、同時に、地上部門に起因する潜在的なトラブルを引き起こすことはない。この場合、コンポーネントのレイアウトと分割は、デザインの長所と短所を決定するキーになります。レイアウトが妥当である場合、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、アナログ信号と干渉しない。このような配線を慎重に検査し、配線規則が100 %であることを保証するために検証しなければならない。さもなければ、信号線の不正なルーティングは全く別の回路基板を完全に破壊するでしょう。

A／D変換器のアナロググラウンドとデジタルグラウンドピンとを接続する場合大部分のA / Dコンバータメーカーは、提案します：AGNDとDGNDピンを最短のリード線を通して同じ低インピーダンス地面に接続してくださいDGNDに接続された任意の外部インピーダンスは、寄生容量を通過する。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。この提案によれば、A／D変換器のAGndおよびDGNDピンをアナロググランドに接続する必要があるが、この方法は、デジタル信号デカップリングコンデンサの接地端子をアナロググランドまたはデジタルグラウンドに接続するか否かの問題を引き起こす。

1つのA／D変換器しかない場合には、上記の問題を容易に解決することができる。グランドを分離し、A／D変換器の下でアナロググランドとデジタルグランドを接続する。この方法を採用する場合、2つのグラウンド間の接続ブリッジの幅がICの幅と同じであることを保証する必要があり、どの信号線も分割ギャップを横切ることができない。

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？アナログアースとデジタルグランドを各A／D変換器の下に接続すると、多点接続が発生し、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である。あなたがこのように接続しないならば、それはメーカーの要件に違反します。混合信号のPCB設計の均一な接地について疑問を持っている場合は、回路基板全体をレイアウトとルートに接地層分割法を使用することができます。設計するとき，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インチ未満である。ジャンパー線または0オーム抵抗器は、別々に一緒に接続されます。パーティションと配線に注意を払って、デジタル信号線がすべての層の上のアナログ部分より上に位置しないことを確認してください、そして、アナログ信号線はデジタル部分より上に位置しません。さらに、いかなる信号線も、グランドギャップまたは分割電源間のギャップを横切ることができない。回路基板の機能及びEMC性能を試験するために、2オームの抵抗器又はジャンパー線を介して2つの接地を接続し、回路基板の機能及びEMC性能を再試験する。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？

この方法は、以下の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い漏れ電流を必要とするいくつかの工業プロセス制御装置の出力は、ノイズの多い高電力の電気機械システムに接続され得る。装置別の状況は、PCBのレイアウトが特定の制限を受けるときです。

ミックスドシグナルPCB基板には通常、デジタル電源とアナログ電源が独立しており、分割電源プレーンを使用することが可能であり、また使用すべきである。しかし、電源層に近い信号線は電源間のギャップを越えることができず、ギャップを越える信号線はすべて大面積グラウンドに近い回路層に配置しなければならない。場合によっては、アナログ電源を単一面ではなくPCB接続ラインで設計することで、電源面を分割する問題を回避できる。