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PCB技術

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ミックスドシグナルPCBのパーティション設計を実現するにはどうすればよいですか?
2020-09-22
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Author:Dag      Share

ミックスドシグナル回路PCBの設計は非常に複雑です。コンポーネントのレイアウトと配線、および電源とアース線の処理は、回路性能とEMC性能に直接影響します。この論文で紹介したグランドと電源のパーティション設計は、ミックスドシグナル回路の性能を最適化することができます。


デジタル信号とアナログ信号間の相互干渉を減らす方法は?電磁両立性(EMC)の2つの基本原理は、設計前に理解する必要があります。1つは、電流ループの面積を可能な限り減らすことです。もう1つは、システムで1つの参照サーフェスのみが使用されることです。逆に、システムに2つの基準面がある場合は、ダイポールアンテナを形成できます(注:小さなダイポールアンテナの放射サイズは、ラインの長さ、流れる電流、および周波数に正比例します)。信号が可能な限り最小のループを通って戻ることができない場合、大きなループアンテナが形成される可能性があります。ループの電流は周波数の2乗に比例します。これらの2つの状況は、設計では可能な限り回避する必要があります。


ミックスドシグナル回路基板のデジタルグランドとアナロググランドは、デジタルグランドとアナロググランドを分離するために分離することをお勧めします。この方法は実行可能ですが、特に複雑な大規模システムでは、多くの潜在的な問題があります。重要な問題は、スプリットギャップを越えてルーティングすることが不可能であるということです。それが交差すると、電磁放射と信号のクロストークが急速に増加します。PCB設計の一般的な問題は、分割されたグランドまたは電源を通過する信号線によって引き起こされるEMIの問題です。


上記のセグメンテーション方法を使用し、信号線は2つのグラウンド間のギャップを横切ります。信号電流のリターンパスは何ですか?2つの分離されたアースは、ある場所(通常は特定の場所の1つのポイント)で接続されていると想定されています。この場合、接地電流は大きなループを形成します。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生成します。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る場合、電流は外部信号によって干渉されやすくなります。さらに悪いことに、スプリットグラウンドが電源で一緒に接続されると、非常に大きな電流ループが形成されます。さらに、長いワイヤを介したアナログおよびデジタル接続は、ダイポールアンテナを形成します。




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電流がグランドに戻る経路とモードを理解することは、ミックスドシグナル回路基板の設計を最適化するための鍵です。多くの設計エンジニアは、電流の特定の経路を無視して、信号電流が流れる場所のみを考慮します。アース線層を分割し、仕切り間の隙間から配線する必要がある場合は、分割したアース層を一点接続して2つのアース層の間に接続ブリッジを形成し、配線を行うことができます。接続ブリッジを介して。このようにして、各信号線の下に直流戻り経路を設けることができるので、形成されるループ面積は非常に小さい。


ギャップを越えるために、光絶縁デバイスまたはトランスを使用することもできます。前者の場合、光信号はギャップを横切りますが、トランスの場合、磁場はギャップを横切ります。別の可能なアプローチは、差動信号を使用することです。信号は、あるラインから流入し、別のラインから戻ります。この場合、信号をリターンパスとして使用する必要はありません。


デジタル信号とアナログ信号の干渉を調べるには、まず高周波電流の特性を理解する必要があります。高周波電流は常に信号の真下のインピーダンス(インダクタンス)経路を選択するため、隣接する層が電源層であるか接地層であるかに関係なく、戻り電流は隣接する回路層を流れます。


実際には、PCBは通常アナログ部分とデジタル部分に分けられます。アナログ信号はボードのすべての層のアナログ領域にルーティングされ、デジタル信号はデジタル回路領域にルーティングされます。この場合、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ません。


デジタル信号が回路基板のアナログ部分に配線されているか、アナログ信号が回路基板のデジタル部分に配線されている場合にのみ、デジタル信号のアナログ信号への干渉が現れます。この問題は、分割がないためではなく、デジタル信号の配線が適切でないためです。


PCB設計は、デジタル回路とアナログ回路のパーティションと適切な信号配線を通じて統一された設計を採用しており、通常、いくつかの難しいレイアウトと配線の問題を解決できますが、アース分割によって引き起こされる潜在的な問題も発生しません。この場合、コンポーネントのレイアウトとパーティションが設計の鍵になります。レイアウトが適切であれば、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、アナログ信号に干渉しません。このような配線は、配線規則に100%準拠していることを確認するために、注意深くチェックおよびチェックする必要があります。そうしないと、信号線の配線が不適切な場合、非常に優れた回路基板が完全に破壊されます。


/ Dコンバータのアナロググランドピンとデジタルグランドピンを一緒に接続する場合、ほとんどの/ Dコンバータメーカーは、agndピンとDGNDピンを短いリード線を介して同じ低インピーダンスグランドに接続することを推奨します(注:ほとんどの/ Dコンバータチップはアナロググランドとデジタルグランドを一緒に接続しないでください。外部ピンを介して接続する必要があります)DGNDに接続された外部インピーダンスは、寄生容量を介してIC内部のアナログ回路により多くのデジタルノイズを結合します。この提案によれば、A / DコンバータのagndピンとDGNDピンをアナロググランドに接続する必要があります。ただし、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グランド端子をアナロググランドとデジタルグランドのどちらに接続するかなどの問題が発生する可能性があります。


システムにA / Dコンバーターが1つしかない場合、上記の問題は簡単に解決できます。図3に示すように、グランドは分割され、アナログ部品とデジタル部品はA / Dコンバータの下で相互に接続されています。この方法を採用する場合、2つのグランド間の接続ブリッジの幅がICの幅と等しく、信号線が分割ギャップを越えないようにする必要があります。


たとえば、システムに多数のA / Dコンバーターがある場合、10個のA / Dコンバーターを接続するにはどうすればよいですか?各A / Dコンバータの下部でアナロググランドとデジタルグランドを接続すると、マルチポイント接続になり、アナロググランドとデジタルグランドを分離しても意味がありません。この方法で接続しないと、メーカーの要件に違反します。


ミックスドシグナルPCBの統一設計に疑問がある場合は、グラウンド層を分割する方法を使用して、回路基板全体をレイアウトおよび配線できます。設計では、後部の実験で、回路基板が1/2インチまたは0オームの抵抗未満の間隔でジャンパーと分離されたグラウンドを簡単に接続できるように最善を尽くす必要があります。すべてのレイヤーで、アナログセクションの上にデジタル信号線がないこと、またはデジタルセクションの上にアナログ信号線がないことを確認するために、ゾーニングと配線に注意してください。さらに、信号線が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したりすることはできません。回路基板の機能とEMC性能をテストするには、0オームの抵抗またはジャンパーを介して2つのアースを接続し、回路基板の機能とEMC性能を再テストします。テスト結果を比較して、


この方法は、次の3つの状況で使用できます。一部の医療機器は、患者に接続された回路とシステムの間に低い漏れ電流を必要とします。一部の産業用プロセス制御機器の出力は、高ノイズおよび高電力の電気機械機器に接続されている場合があります。もう1つのケースは、PCBのレイアウトが制限されている場合です。


ミックスドシグナルPCBには、通常、独立したデジタルおよびアナログ電源があり、分割電源を採用することができ、採用する必要があります。ただし、電源層に隣接する信号線は電源間のギャップを横切ることができず、ギャップを横切るすべての信号線は、広い領域に隣接する回路層に配置する必要があります。場合によっては、1つの表面の代わりにPCB接続ラインを備えたアナログ電源の設計により、電源側のセグメンテーションの問題を回避できます。




ミックスドシグナルPCBの設計は複雑なプロセスです。設計プロセスでは、次の点に注意する必要があります。


1.PCBを独立したアナログ部分とデジタル部分に分割します。


2.コンポーネントの適切なレイアウト。


3. A / Dコンバーターはパーティション全体に配置されます。


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ています。


5.回路基板のすべての層で、デジタル信号は回路基板のデジタル部分にのみ配線できます。


6.回路基板のすべての層で、アナログ信号は回路基板のアナログ部分にのみ配線できます。


7.アナログとデジタルの権力分立を実現します。


8.配線は、分割された電源面の間のギャップを越えてはなりません。


9.分割電源間のギャップを横切る必要のある信号線は、広い領域に隣接する配線層に配置する必要があります。


10.実際の流路と戻り電流のモードを分析します。


11.正しい配線規則を使用します。