PCB回路基板がデジタルとアナログに分かれている理由を理解する

1 なぜデジタルとアナログを分ける必要があるのか

繋がっていても距離が長くて違うから。特に電流が大きい場合、異なるポイントでの同じワイヤの電圧は異なる場合があります。導体には抵抗があるため、電流が流れると電圧降下が発生します。さらに、導体には PCB 分布インダクタンスもあり、ac 信号の下でその影響が現れます。デジタル信号の高周波ノイズは非常に大きいため、デジタルとアナログに分ける必要があります。アナログ信号とデジタル信号が混在すると、ノイズがアナログ部に伝わり、混信の原因となります。個別に接地すれば、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できます。しかし、この 2 つが混在している場合、フィルタリングは容易ではありません。

2 デジタルグランドとアナロググランドの設計方法

電磁適合性 (EMC) の 2 つの基本原則を事前に理解しておく必要があります。 2 番目の原則は、システムが 1 つの基準面のみを使用することです。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ます (注: 小さなダイポールアンテナの放射サイズは、線路の長さ、流れる電流、および周波数に比例します)。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は、大きなループアンテナが形成されることがあります (注: 小さなループアンテナの放射サイズは、ループ面積、ループを流れる電流、および周波数の 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ウンド間の分離を実現するために、混合信号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。最も重大な問題は、配線が分割ギャップを越えられないことです。配線が分割ギャップを横切ると、電磁放射と信号クロストークが劇的に増加します。 PCB 設計で最も一般的な問題は、分割グランドまたは電源を横断する信号ラインによって引き起こされる EMI 問題です。

pcb board

上記のセグメンテーション方法を使用し、信号線は 2 つのグランド間のギャップを横切ります。信号電流のリターン経路は何ですか? 分割された 2 つのグランドがどこかで (通常は特定の位置の 1 点で) 接続されているとします。この場合、グランド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。低レベルのアナログ電流が大きなループを流れると、電流は外部信号の干渉を受けやすくなります。最悪なのは、分割されたグラ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ることです。また、アナロググランドとデジタルグランドを長いワイヤーで接続し、ダイポールアンテナを形成しています。

グラ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、混合信号回路基板設計を最適化するための鍵です。多くの PCB エンジニアは、電流の特定の経路を無視して、信号電流がどこに流れるかのみを考慮します。グランド配線層を分割し、分割間のギャップを介して配線する必要がある場合は、分割されたグランド間を 1 点接続して、2 つのグランド間の接続ブリッジを形成し、その接続を介して配線を配線できます。橋。このように、各信号線の下に直流帰還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。

分離ギャップを横切る信号を実現するために、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、セグメンテーションギャップにまたがるのは光信号です。変圧器の場合、分離ギャップにかかるのは磁場です。もう 1 つの方法として、差動信号を使用する方法があります。信号は 1 つのラインから流入し、別の信号ラインから戻ります。この場合、リターンパスとしては必要ありません。

デジタル信号のアナログ信号への干渉について深く議論するためには、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直下でインピーダンス（インダクタンス）が最も低い経路が選択されるため、隣接する層が電源層であるかグランド層であるかに関係なく、リターン電流は隣接する回路層を介して流れます。実際の作業では、一般的に統一された方法を使用し、PCB をアナログ部分とデジタル部分に分割することが好まれます。アナログ信号は回路基板のすべての層のアナログ領域に配線され、デジタル信号はデジタル回路領域に配線されます。この場合、デジタル信号のリターン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場合、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ている場合にのみ、デジタル信号はアナログ信号と干渉します。分割がないため、このような問題は発生しません。本当の理由は、デジタル信号の配線が不適切だからです。 PCB 設計は、統一されたアプローチを採用しています。デジタル回路とアナログ回路のゾーニングと適切な信号配線により、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、グランドのセグメンテーションによる潜在的な問題を引き起こすことはありません。この場合、部品の配置や分割が設計の良し悪しを決める鍵となります。レイアウトと配線が合理的であれば、デジタルグランド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、慎重に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、信号線が不適切に配線されると、非常に優れた回路基板が完全に破壊されます。

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一緒に接続する場合、ほとんどの A/D コンバータメーカーは、AGND ピンと DGND ピンを最短のリード線で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ています (注: ほとんどの A/D コンバータチップは内部で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ため、アナロググランドとデジタルグランドの間の接続は外部ピンを介して実現する必要があります)。キャパシタンス。この提案によると、A/D コンバータの AGND 端子と DGND 端子をアナロググランドに接続する必要がありますが、この方法では、デジタル信号の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に接続する必要があるかどうかなどの問題が発生する可能性があります。グランドまたはデジタルグランド

システムに A/D コンバータが 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、グランドを分割し、アナロググランドとデジタルグランドを A/D コンバータの下で接続します。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 の幅と同じであること、および信号線が分割ギャップを横切らないようにする必要があります。

混合信号 PCB 設計の統一アプローチに疑問がある場合は、グランドワイヤ層分割の方法を使用して、回路基板全体をレイアウトおよび配線できます。設計時には、回路基板を背面でテストするときに、分割されたグランドを一緒に接続するために、1/2 インチまたは 0 オームの抵抗よりも間隔が狭いジャンパを使用しやすいように注意する必要があります。ゾーニングと配線に注意し、すべての層でアナログ部の上にデジタル信号線が配置されないようにし、デジタル部の上にアナログ信号線が配置されないようにします。また、信号線はグランドギャップまたは分割電源間のギャップを横切らないでください。回路基板の機能と EMC 性能をテストするには、0 オームの抵抗器またはジャンパを介して 2 つのグランドを一緒に接続し、回路基板の機能と EMC 性能を再テストします。試験結果を比較すると、ほとんどの場合、統合方式が分割方式よりも機能と EMC 性能の点で優れていることがわかります。

土地分割の方法はまだ有用ですか？

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、回路と患者に接続されたシステムとの間の漏れ電流を非常に低くする必要があります。一部の産業用プロセス制御機器の出力は、ノイズと電力が高い電気機械機器に接続される場合があります。もう 1 つのケースは、PCB 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 ボードには独立した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ができ、使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はできず、ギャップを横切るすべての信号線は、広い面積のグランド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、アナログ電源は、電源プレーンの分割の問題を回避するために、プレーンではなく PCB 接続ラインとして設計されます。