개요: 혼합 신호 PCB(인쇄 회로 기판) 회로의 설계는 구성 요소의 레이아웃, 라우팅, 전원 공급 장치 및 접지선 처리가 회로 성능 및 전자기 호환성(EMC)에 직접적인 영향을 미치기 때문에 복잡합니다. 이 문서에서는 혼합 신호 회로의 성능을 최적화할 수 있는 접지 및 전원 공급 장치의 구역화 설계를 소개합니다.

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 상호 간섭을 어떻게 줄일 수 있습니까? 설계에 앞서 EMC의 두 가지 기본 원칙을 이해하는 것이 중요합니다. 첫 번째 원칙은 전류 루프 영역을 최대한 최소화하는 것입니다. 두 번째 원칙은 시스템에 단일 기준 평면을 사용하는 것입니다. 반대로, 시스템에 두 개의 기준 평면이 있으면 다이폴 안테나를 형성할 수 있습니다(참고: 소형 다이폴 안테나의 방사는 와이어의 길이, 와이어를 통해 흐르는 전류의 크기 및 주파수에 비례합니다). 또한, 신호가 가능한 가장 작은 루프를 통해 반환될 수 없는 경우 큰 루프 안테나가 형성될 수 있습니다(참고: 작은 루프 안테나의 방사는 루프 면적, 루프를 통해 흐르는 전류의 크기 및 루프 안테나의 제곱에 비례합니다). 빈도). 두 시나리오 모두 설계 시 최대한 피해야 합니다.

일부에서는 혼합 신호 보드에서 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하여 이들 간의 절연을 달성할 것을 제안합니다. 이 접근 방식은 실현 가능하지만 특히 복잡한 대규모 시스템에서는 수많은 잠재적인 문제를 야기합니다. 가장 중요한 문제는 분할된 간격을 가로질러 와이어를 라우팅할 수 없다는 것입니다. 그렇게 하면 전자기 방사 및 신호 혼선이 극적으로 증가할 수 있습니다. PCB 설계에서 직면하는 가장 일반적인 문제는 분할 접지 또는 전원 공급 장치를 통과하는 신호 라인에서 발생하는 EMI 문제입니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 앞서 언급한 분할 방법을 채택하고 신호 라인이 두 접지 사이의 간격에 걸쳐 있을 때 신호 전류의 복귀 경로는 무엇입니까? 두 개의 분할된 접지가 어딘가(보통 단일 지점)에 연결되어 있다고 가정하면, 이 경우 접지 전류는 큰 루프를 형성합니다. 이 큰 루프를 통해 흐르는 고주파 전류는 방사 및 높은 접지 인덕턴스를 생성합니다. 낮은 수준의 아날로그 전류가 이 큰 루프를 통해 흐를 경우 외부 신호 간섭을 받기 쉽습니다. 최악의 시나리오는 분할된 접지가 전원 공급 장치에 연결되어 매우 큰 전류 루프를 형성하는 경우입니다. 또한 긴 와이어를 통해 아날로그 및 디지털 접지를 연결하면 다이폴 안테나가 생성됩니다.

전류가 접지로 돌아가는 경로와 방식을 이해하는 것은 혼합 신호 PCB 설계를 최적화하는 데 중요합니다. 많은 설계 엔지니어는 신호 전류가 흐르는 위치만 고려하고 특정 전류 경로는 무시합니다. 접지면 분할이 필요하고 라우팅이 세그먼트 사이의 간격을 통과해야 하는 경우 먼저 분할된 접지 사이에 단일 지점 연결을 설정하여 그 사이에 브리지를 형성한 다음 이 브리지를 통해 라우팅합니다. 이는 각 신호 라인 아래에 직류 복귀 경로를 보장하여 루프 영역을 최소화합니다.

신호가 분할된 간격을 통과할 수 있도록 광학 절연체 또는 변압기를 사용할 수도 있습니다. 전자의 경우, 광 신호는 간격을 통과합니다. 후자에서는 자기장이 그렇습니다. 또 다른 실행 가능한 옵션은 차동 신호를 사용하는 것입니다. 신호가 한 라인으로 흐르고 다른 라인을 통해 반환되므로 반환 경로로 접지가 필요하지 않습니다.

아날로그 신호에 대한 디지털 신호의 간섭을 조사하려면 고주파 전류의 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 고주파 전류는 항상 신호 바로 아래에서 최소 임피던스(가장 낮은 인덕턴스)의 경로를 선택하므로 반환 전류는 전원 또는 접지면과 같은 인접한 회로 레이어를 통해 흐릅니다.

실제로는 통합 접지를 사용하고 PCB를 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 분할하는 것이 일반적입니다. 아날로그 신호는 모든 PCB 레이어의 아날로그 영역 내에서 라우팅되는 반면, 디지털 신호는 디지털 영역 내에서 라우팅됩니다. 이는 디지털 복귀 전류가 아날로그 접지로 흐르는 것을 방지합니다.

디지털 신호에서 아날로그 신호로의 간섭은 디지털 신호가 아날로그 섹션을 통해 라우팅되거나 그 반대로 라우팅되는 경우에만 발생합니다. 근본 원인은 접지 분할이 아니라 디지털 신호의 부적절한 라우팅입니다.

PCB 설계에 통합 접지를 채택하고, 디지털 및 아날로그 회로를 분할하고, 적절한 신호 라우팅을 사용하면 접지 분할로 인한 잠재적인 문제를 발생시키지 않으면서 복잡한 레이아웃 및 라우팅 문제를 해결하는 경우가 많습니다. 이 경우 구성요소 배치 및 분할이 설계 품질에 중추적인 역할을 합니다. 적절한 레이아웃과 라우팅을 사용하면 디지털 접지 전류가 디지털 섹션으로 제한되어 아날로그 신호와의 간섭을 피할 수 있습니다. 이러한 라우팅에는 라우팅 규칙을 100% 준수하는지 확인하기 위해 세심한 검사와 검증이 필요합니다. 그렇지 않으면 잘못 라우팅된 신호 라인 하나가 우수한 PCB를 망칠 수 있습니다.

A/D 변환기의 아날로그 및 디지털 접지 핀을 연결할 때 대부분의 제조업체는 리드가 가장 짧은 AGND 및 DGND 핀을 단일 저임피던스 접지에 연결하는 것을 권장합니다. (참고: 대부분의 A/D 변환기 칩은 내부적으로 아날로그 및 DGND 핀을 연결하지 않습니다. 디지털 접지, 외부 핀 연결 필요). DGND에 연결된 외부 임피던스는 기생 용량을 통해 IC의 내부 아날로그 회로에 더 많은 디지털 잡음을 결합할 수 있습니다. 이 권장 사항에 따라 A/D 변환기의 AGND 및 DGND 핀을 모두 아날로그 접지에 연결해야 하지만 이로 인해 디지털 신호용 디커플링 커패시터를 아날로그 또는 디지털 접지에 접지할 위치에 대한 의문이 제기됩니다.

시스템에 A/D 변환기가 하나만 있는 경우 솔루션은 간단합니다. 그림 3과 같이 접지를 분할하고 A/D 변환기 아래의 아날로그 및 디지털 접지 섹션을 연결합니다. 그렇게 할 때 두 접지를 연결하는 브리지가 IC만큼 넓고 신호 라인이 간격을 가로지르지 않도록 하십시오.

시스템에 A/D 변환기가 10개 등 많은 A/D 변환기가 있는 경우 어떻게 연결합니까? 아날로그 접지와 디지털 접지가 각 A/D 변환기 아래에 함께 연결되면 여러 연결 지점이 생기고 아날로그 접지와 디지털 접지 사이의 절연은 의미가 없게 됩니다. 이런 방식으로 연결하지 않으면 제조업체의 요구 사항을 위반하게 됩니다.
가장 좋은 방법은 처음에는 통일된 접지를 사용하는 것입니다. 그림 4와 같이 통합접지는 아날로그 부분과 디지털 부분으로 나누어진다. 이 레이아웃과 배선은 아날로그와 디지털 접지 핀 사이의 저임피던스 연결에 대한 IC 장치 제조업체의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 EMC 문제를 일으킬 수 있는 루프 안테나 또는 쌍극 안테나를 생성하지 않습니다.

혼합 신호 PCB 설계에 통합 접근 방식을 사용하는 데 의문이 있는 경우 접지층 분할 방법을 사용하여 전체 회로 기판을 배치하고 라우팅할 수 있습니다. 설계 중에는 나중에 실험할 때 간격이 1/2인치 또는 0Ω 미만인 저항기를 사용하여 회로 기판을 더 쉽게 연결할 수 있도록 주의하십시오. 분할 및 라우팅에 주의하여 모든 레이어에서 디지털 신호 라인이 아날로그 부분 위에 위치하지 않고, 아날로그 신호 라인이 디지털 부분 위에 위치하지 않도록 하십시오. 더욱이 어떤 신호 라인도 접지 간격을 가로지르거나 전원 공급 장치 간의 간격을 나눌 수 없습니다. 회로 기판의 기능 및 EMC 성능을 테스트하려면 0ohm 저항기 또는 점퍼를 사용하여 두 접지를 함께 연결하고 회로 기판의 기능 및 EMC 성능을 다시 테스트하십시오. 테스트 결과를 비교해 보면, 거의 모든 경우에 통합 접근 방식이 분할 접근 방식보다 기능 및 EMC 성능 측면에서 우수한 것으로 나타났습니다.

#토지를 분할하는 방식이 아직도 유용한가요?
이 방법은 다음 세 가지 상황에서 사용할 수 있습니다. 일부 의료 장비에서는 환자에 연결된 회로와 시스템 사이에 낮은 누설 전류가 필요합니다. 일부 산업 공정 제어 장비의 출력은 소음이 크고 전력이 높은 전자 기계 장치에 연결될 수 있습니다. 또 다른 상황은 PCB 레이아웃에 특정 제한이 적용되는 경우입니다.
일반적으로 혼합 신호 PCB 보드에는 별도의 디지털 및 아날로그 전원 공급 장치가 있으며 분할 전원 플레인을 사용하는 것이 가능해야 합니다. 그러나 전원 평면에 바로 인접한 신호선은 전원 공급 장치 사이의 간격을 넘을 수 없으며, 이 간격을 건너는 모든 신호선은 대형 접지면에 바로 인접한 회로층에 위치해야 합니다. 경우에 따라 단일 평면이 아닌 PCB 연결 라인을 사용하여 아날로그 전원 공급 장치를 설계하면 전원 평면 분할 문제를 피할 수 있습니다.

혼합 신호 PCB 설계는 복잡한 프로세스이므로 설계 프로세스 중에 다음 사항에 유의해야 합니다.

1. PCB를 별도의 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 나눕니다.
2. 구성 요소의 적절한 레이아웃.
3. A/D 변환기는 파티션 전체에 배치됩니다.
4. 땅을 나누지 마십시오. 회로 기판의 아날로그 및 디지털 부품을 지면 아래 균일하게 놓습니다.
5. 회로 기판의 모든 계층에서 디지털 신호는 기판의 디지털 부분에서만 라우팅될 수 있습니다.
6. 회로 기판의 모든 계층에서 아날로그 신호는 기판의 아날로그 부분에서만 라우팅될 수 있습니다.
7. 아날로그 및 디지털 전원의 분할을 구현합니다.
8. 배선은 분할된 전원 공급 장치 표면 사이의 틈을 넘을 수 없습니다.
9. 분할된 전원 공급 장치 사이의 간격을 교차해야 하는 신호 라인은 넓은 면적 접지에 바로 인접한 배선층에 위치해야 합니다.
10. 접지로 다시 흐르는 전류의 실제 경로와 모드를 분석합니다.
11. 올바른 배선 규칙을 채택하십시오.