要約: 混合信号 PCB (プリント回路基板) 回路の設計は複雑であり、コンポーネントのレイアウト、配線、電源とグランド ラインの処理が回路のパフォーマンスと電磁適合性 (EMC) に直接影響します。 このペーパーでは、ミックスドシグナル回路のパフォーマンスを最適化できる、グランドと電源のゾーニング設計を紹介します。

デジタル信号とアナログ信号間の相互干渉を減らすにはどうすればよいでしょうか? 設計の前に、EMC の 2 つの基本原則を理解することが重要です。1 つ目の原則は、電流ループの面積を可能な限り最小化することです。 2 番目の原則は、システムに単一の基準面を使用することです。 逆に、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可能性があります (注: 小さなダイポール アンテナの放射は、ワイヤの長さ、ワイヤを流れる電流の大きさ、および周波数に比例します)。 さらに、信号が可能な限り小さな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 (注: 小さなループ アンテナの放射は、ループ面積、ループを流れる電流の大きさ、および の 2 乗に比例します)。周波数）。 どちらのシナリオも、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ボード上のデジタルグランドとアナロググランドを分離して、それらの間の絶縁を実現することを提案する人もいます。 このアプローチは実現可能ですが、特に複雑で大規模なシステムでは、多くの潜在的な問題が発生します。 最も重大な問題は、分割されたギャップを越えてワイヤを配線できないことです。配線すると、電磁放射と信号クロストークが大幅に増加する可能性があります。 PCB 設計で遭遇する最も一般的な問題は、信号線が分割グランドまたは電源を横切ることから発生する EMI 問題です。

図 1 に示すように、前述の分割方法を採用し、信号線が 2 つのグランド間をまたがる場合、信号電流のリターン パスは何になるでしょうか。 2 つのセグメント化されたアースがどこか (通常は単一点) に接続されていると仮定すると、この場合、アース電流は大きなループを形成します。 この大きなループを流れる高周波電流により、放射と高いグランド インダクタンスが発生します。 低レベルのアナログ電流がこの大きなループを流れると、外部信号の干渉を受けやすくなります。 最悪のシナリオは、セグメント化されたグランドが電源に接続され、非常に大きな電流ループが形成される場合です。 さらに、アナログとデジタルのアースを長いワイヤで接続すると、ダイポール アンテナが作成されます。

グランドに戻る電流の経路と方法を理解することは、混合信号 PCB 設計を最適化するために重要です。 多くの設計エンジニアは、信号電流がどこに流れるかのみを考慮し、特定の電流経路を無視します。 グランド プレーンのセグメント化が必要で、配線がセグメント間のギャップを通過する必要がある場合は、まずセグメント化されたグランド間に単一点接続を確立し、それらの間にブリッジを形成してから、このブリッジを経由して配線します。 これにより、各信号線の下に直流リターンパスが確保され、ループ面積が最小限に抑えられます。

信号がセグメント化されたギャップを通過できるようにするために、光アイソレータまたは変圧器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通過します。 後者の場合、磁場が影響します。 もう 1 つの実行可能なオプションは、信号が 1 つのラインに流れ込み、別のラインを通って戻る差動信号を使用することです。これにより、リターン パスとしてグランドが不要になります。

アナログ信号に対するデジタル信号の干渉を詳しく調べるには、高周波電流の性質を理解することが不可欠です。 高周波電流は常に、信号の直下の最小インピーダンス (最小インダクタンス) の経路を選択するため、戻り電流は電源プレーンであってもグランドプレーンであっても、隣接する回路層を通って流れます。

実際には、統一されたグランドを使用し、PCB をアナログ セクションとデジタル セクションに分割するのが一般的です。 アナログ信号はすべての PCB 層のアナログ領域内で配線され、デジタル信号はデジタル領域内で配線されます。 これにより、デジタルのリターン電流がアナログ グランドに流れ込むのを防ぎます。

デジタル信号からアナログ信号への干渉は、デジタル信号がアナログ セクションを経由する場合、またはその逆の場合にのみ発生します。 根本的な原因はグランドのセグメンテーションではなく、デジタル信号の不適切なルーティングです。

PCB 設計に統一グランドを採用し、デジタル回路とアナログ回路を分割し、適切な信号配線を行うことで、多くの場合、グランド分割による潜在的な問題を引き起こすことなく、複雑なレイアウトと配線の課題を解決できます。 この場合、コンポーネントの配置と分割が設計品質にとって極めて重要になります。 適切なレイアウトと配線を行うと、デジタル グランド電流がデジタル セクションに制限され、アナログ信号との干渉が回避されます。 このようなルーティングでは、ルーティング ルールに 100% 準拠していることを確認するために、綿密な検査と検証が必要です。 そうしないと、単一の信号線の配線が間違っていると、本来は優れた PCB が台無しになる可能性があります。

A/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 ピンを接続する場合、ほとんどのメーカーは、AGND ピンと DGND ピンを最短のリード線で単一の低インピーダンス グランドに接続することを推奨しています (注: ほとんどの A/D コンバータ チップは、アナログ グランド ピンとデジタル グランド ピンを内部で接続しません)デジタルグランド、外部ピン接続が必要）。 DGND に接続された外部インピーダンスは、寄生容量を通じて、より多くのデジタル ノイズを IC の内部アナログ回路に結合する可能性があります。 この推奨事項に従って、A/D コンバータの AGND ピンと DGND ピンの両方をアナログ グランドに接続する必要がありますが、デジタル信号のデカップリング コンデンサをどこに接地するか (アナログ グランドかデジタル グランドに接続するか) という疑問が生じます。

システムに A/D コンバータが 1 つしかない場合、解決策は簡単です。 図 3 に示すように、グランドを分割し、A/D コンバータの下でアナログとデジタルのグランド セクションを接続します。 その際、2 つのグランドを接続するブリッジの幅が IC と同じ幅で、信号線がギャップを横切らないようにしてください。

システム内に A/D コンバータが多数ある場合 (A/D コンバータが 10 個など)、それらをどのように接続すればよいですか? 各 A/D コンバータの下にアナログ グランドとデジタル グランドをまとめて接続すると、多点接続となり、アナログ グランドとデジタル グランド間の絶縁が無意味になります。 この方法で接続しないと、メーカーの要件に違反します。
最善の方法は、最初に統一されたグラウンドを使用することです。 図4に示すように、統合グラウンドはアナログ部分とデジタル部分に分かれています。 このレイアウトと配線は、アナログ グラウンド ピンとデジタル グラウンド ピン間の低インピーダンス接続に関する IC デバイス メーカーの要件を満たすだけでなく、EMC 問題を引き起こす可能性のあるループ アンテナやダイポール アンテナを生成しません。

混合信号 PCB 設計に統一アプローチを使用することに疑問がある場合は、グランド層セグメント化手法を使用して回路基板全体のレイアウトと配線を行うことができます。 設計中は、後の実験時に 1/2 インチ未満の間隔のジャンパーまたは 0 オームの抵抗を使用して回路基板を簡単に接続できるように注意してください。 分割と配線に注意して、すべての層のアナログ部分の上にデジタル信号線が配置されていないこと、およびデジタル部分の上にアナログ信号線が配置されていないことを確認してください。 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を使用して 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。 テスト結果を比較すると、ほとんどの場合、統合アプローチが機能と EMC 性能の点で分割アプローチよりも優れていることがわかります。

＃土地を分割する方法はまだ役に立ちますか？
この方法は、次の 3 つの状況で使用できます。一部の医療機器では、患者に接続されている回路とシステム間の漏れ電流が低いことが必要です。 一部の産業用プロセス制御装置の出力は、高ノイズおよび高出力の電気機械装置に接続される場合があります。 もう 1 つの状況は、PCB のレイアウトが特定の制限を受ける場合です。
通常、混合信号 PCB ボードには個別のデジタル電源とアナログ電源があり、分割電源プレーンを使用することは可能ですし、またそうすべきです。 ただし、電源プレーンにすぐ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、このギャップを横切るすべての信号線は、大きなグランド プレーンにすぐ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、単一プレーンではなく PCB 接続ラインを使用してアナログ電源を設計すると、電源プレーンの分割の問題を回避できます。

ミックスシグナル PCB 設計は複雑なプロセスであるため、設計プロセス中に次の点に注意する必要があります。

1. PCB をアナログ セクションとデジタル セクションに分割します。
2. コンポーネントの適切なレイアウト。
3. A/D コンバータはパーティションをまたいで配置されます。
4. 地面を分割しないでください。 回路基板のアナログ部分とデジタル部分を地面の下に均一に配置します。
5. 回路基板のすべての層において、デジタル信号は基板のデジタル部分でのみ配線できます。
6. 回路基板のすべての層で、アナログ信号は基板のアナログ部分でのみ配線できます。
7. アナログ電源とデジタル電源の分離を実現します。
8. 配線は分割された電源面間の隙間をまたぐことはできません。
9. 分割電源間のギャップを横断する必要がある信号線は、大面積グランドにすぐ隣接する配線層に配置する必要があります。
10. グランドに逆流する電流の実際の経路とモードを解析します。
11. 正しい配線ルールを採用してください。