回路基板設計 -- 高速 PCB 用グランド スプリングの説明

基板設計 -- 高速基板用グランドスプリング解説

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1 つの完全な信号回路である U1 はドライバーです。 U2 はレシーバーです。 L1 と L3 は、それぞれコンポーネントの UI 信号出力ピンとグランド ピンのパッケージ インダクタンスです。 L2 と L4 は、それぞれ U2 信号出力ピンとグランド ピンのパッケージ インダクタンスです。 信号パスの基準面がデバイス UI と U2 の「グランド」であり、信号ピンとコンポーネントのグランド ピンの間の距離が近くない単純なケースを考えてみましょう。

基本的な電磁気の法則によると、回路に電流が流れると、信号経路とリターン経路の周りに磁気コイルが生成されます。 1 つの経路の周りの磁力線の総巻き数は、経路内の電流によって生成される磁気コイル (自己磁気コイル) と、その周囲の他の電流経路によって生成される磁気コイル (相互磁気コイル) で構成されます。 つまり、信号電流が流れる導体にはインダクタンスがあり、総インダクタンスは自己インダクタンスと相互インダクタンスの2つの部分で構成されます。 2 つの経路の電流方向は反対であり、磁気コイルも反対です。 したがって、1 つのパスの総インダクタンスは、自己インダクタンスと相互インダクタンスの差になります。 信号経路の自己インダクタンスを LA とすると、 リターン パスの自己インダクタンスは LB です。 それらの間の相互インダクタンスはLABです。

回路電流が変化すると、すべてのインダクタの両端に誘導電圧が発生します。 回路経路に発生する電圧がグランド バウンスであり、グランド バウンス電圧は電流変化の速度に依存します。

アース スプリングは、ループ内の急速に変化する電流によって生成される、リターン パス上の 2 点間の電圧です。 地上ミサイルは駆動側にほとんど影響を与えず、主に受信に影響を与えます。これは、受信信号に重畳されたノイズに相当します。 複数の出力ゲートが同時に状態を切り替える場合、グランド バウンス ノイズは数倍に増加します。つまり、同期スイッチング ノイズです。

グランド スプリング電圧を下げるには 2 つの方法しかありません。

• ループ電流の変化を最小限に抑えます。 これは、エッジの変化率を減らし、リターン パスを共有する信号パスの数を制限することを意味します。

• 次に、リターン パスのインダクタンスを最小限に抑えます。 リターン パスのインダクタンスの低減には、リターン パスの自己インダクタンスの低減と、信号パスとリターン パス間の相互インダクタンスの増大という 2 つの側面があります。 自己インダクタンスを減らすということは、リターン パスをできるだけ緩くすることを意味します。 一方、相互インダクタンスを増加させるということは、リターン パスと信号パスをできるだけ近づけることを意味します。

具体的な対策は次のとおりです。

• 多層 PCB ボードを使用して電源およびグランド基準プレーンをレイアウトし、コンポーネントの電源ピンおよびグランド ピンをプレーンに直接ハンダ付けして、電源ピンまたはグランド ピンのインダクタンスとインピーダンスを最小にします。

• スイッチング速度の遅いコンポーネントを使用するようにしてください。

• コンポーネントについては、パッケージング中にグランド ピンを追加したり、電源ピンを電力段に追加で割り当てたり、グランド基準ピンを入力回路に割り当てたりすることができます。

• 採点入力モードを使用します。

• ソケットやワインディング ボードの使用は避けてください。

• デカップリング コンデンサは、エレメントのグランド ピンのできるだけ近くに配置します。

グランド スプリングは、ロジック エレメントによって生成されるノイズ源です。 信号のエッジレートと電圧スイッチの速度が速いため、グランドスプリングが深刻な問題になることがあります。これは、設計時にもっと注意を払う必要があります。 基板組立・基板加工メーカーの紹介：基板設計における高速回路基板の解説。