PCB技術 - 混合信号PCBの分割設計の実現方法

混合信号回路の設計 PCB 非常に複雑です. コンポーネントのレイアウト及び配線及び電源及び接地ワイヤの処理は、回路性能及びEMC性能に直接影響する. 本論文で紹介されたグランド・電源の分配設計は混合信号回路の性能を最適化できる.

デジタル信号とアナログ信号の相互干渉を減らす方法電磁的両立性（EMC）の2つの基本原則は、設計の前に理解されなければなりません：1つは、可能な限り電流ループの面積を減らすことですもう一つは、1つの基準面だけがシステムに使用されるということである。反対に、システムに2つの基準面がある場合、ダイポールアンテナを形成することができる（注：小ダイポールアンテナの放射サイズは、線の長さ、電流と周波数を流れる電流に直接比例する）。信号が可能な限り最小ループを通じて戻ることができない場合、ループの電流は周波数の二乗に比例して形成される。これらの2つの状況は、デザインの可能な限り回避する必要があります。

デジタルグラウンドとアナロググランドとの間の分離を実現するために、混合信号回路基板上のデジタルグラウンドとアナロググラウンドを分離することが提案される. 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で. 重要な問題は、スプリットギャップを横断するのは不可能です. 一度クロス, 電磁放射と信号クロストークは急速に増加する. 一般的な問題 PCB 設計は、分割された地面または電源の上の信号線交差に起因するEMI問題です.

我々は上記のセグメンテーション法を使用し、信号線は2つのグランド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？つの分離された地面は、ある場所（通常、ある場所の単一の点）で接続されていると仮定します。この場合、グランド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、放射線と高い接地インダクタンスを生じる。大きなループを流れる電流が低レベルのアナログ電流であれば、外部信号によって電流が干渉し易くなる。さらに悪いことは、分割グランドが電源に接続されているときに、非常に大きな電流ループを形成することである。さらに、長いワイヤーを通してのアナログとデジタル接続は、ダイポールアンテナを形成します。

グラウンドへの電流リターンの経路とモードを理解することは，混合信号回路基板の設計を最適化するための鍵である。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。グランド配線層を分割し、隔壁間のギャップを介して配線を行う必要がある場合には、分割グランド層間に1点接続を行い、2つのグランド層間の接続ブリッジを形成し、接続ブリッジを介して配線を行う。これにより、各信号線の直下に直流リターンパスを設けることができ、ループ面積が非常に小さくなる。

光アイソレーションデバイスまたは変圧器はまた、ギャップを横切るために使用することができる。前者では光信号はギャップを横切るが，トランスの場合は磁場はギャップを横切る。別の可能なアプローチは、差動信号を使用することである。

ディジタル信号のアナログ信号への干渉を調べるためには，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）経路を選択するので、隣接する層が電力層または接地層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流れる。

実際に, PCB 通常、アナログ部分とデジタル部分に分けられる. アナログ信号は、ボードの全ての層のアナログ領域においてルーティングされる, デジタル信号領域においてデジタル信号がルーティングされる間. この場合は, デジタル信号の戻り電流はアナログ信号のグランドに流れない.

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。この問題は除算がないからではなく、本当の理由はデジタル信号配線が適切でないことである。

PCBの設計は、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介して統一設計を採用しているが、通常はいくつかの困難なレイアウトと配線問題を解決することができるが、グランド分割によって生じる潜在的なトラブルも生じない。この場合、コンポーネントのレイアウトと分割がデザインのキーになります。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、信号線配線不適切は非常に良い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、AGNDとDGNDピンが短いリードを通して同じ低インピーダンス地面に接続されることを勧めます寄生容量によって。この提案によれば、A／D変換器のAGnd及びDGNDピンをアナロググランドに接続する必要がある。しかし、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接地端子をアナロググランドまたはデジタルグランドに接続するか等の問題が生じる。

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。図3に示すように、グランドは分割され、A／D変換器の下でアナログとデジタルの部分が接続されている。この方法を採用する場合には、2つの接地間の接続ブリッジの幅をICの幅と等しくする必要があり、信号線は分割間隙を越えることはない。

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A／D変換器の底部にアナロググランドとデジタルグランドを接続すれば、多点接続が可能であり、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は意味がない。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ています。

混合信号pcbの統一設計に疑問を持っていれば，接地層を分割し，回路基板全体を配線する方法を用いることができる。設計においては、回路基板を分離した接地をジャンパと接続するのを容易にするために最善の努力をしなければならない。ゾーニングや配線に注意して、すべての層上のデジタルセクションの上にアナログセクションまたは任意のアナログ信号線の上にデジタル信号線がないことを確認します。さらに、信号線はグランドギャップを横切ったり、電源間のギャップを分割することはできない。回路基板の機能及びEMC性能を試験するために、2オームの抵抗又はジャンパを介して2つのグランドを接続し、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性能に関してセグメント化された解より優れていることが分かった。

この方法は、以下の3つの状況で使用することができる。いくつかの医療デバイスは、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の出力は、高ノイズ及び高出力の電気機械装置に接続されてもよいもう一つのケースは、PCBのレイアウトが制限されるときです。

混合信号PCBでは，通常，独立したディジタルおよびアナログ電源があり，これは分割電源を採用しなければならない。しかし、電源層に隣接する信号線は、電源間のギャップを越えることができず、ギャップを横切る信号線は、大きな領域に隣接する回路層上に位置しなければならない。一方，片面の代わりにpcb接続ラインを持つアナログ電源の設計は，電源側セグメンテーションの問題を回避できる。

混合信号の設計 PCB 複雑なプロセス. The following points should be paid attention to in the design process:

1 .独立したアナログ部分とデジタル部分にPCBを分割します。

2 .コンポーネントの適切なレイアウト。

3 . A / Dコンバータはパーティションにまたがって配置されます。

4 .地面を分割しないでください。回路基板はアナログ部とデジタル部の下に均一に配置される。

回路基板の全ての層において、デジタル信号は、回路基板のデジタル部分にのみ配線され得る。

回路基板の全ての層において、アナログ信号は、回路基板のアナログ部分にのみ配線することができる。

アナログ・ディジタル電力分離の実現

8 .配線は分割電力面間のギャップを越えるものではない。

9 .分割電源間の間隙を交差させる信号配線は、大面積に隣接する配線層上に位置する。

10 .実際の流路と戻り電流のモードを解析します。

11 .正しい配線規則を使う。