電子工場における基板配線技術の一例

電子工場における基板配線技術の一例

混合信号回路 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、および電源ラインとアース線の処理は、回路の性能と EMC の性能に直接影響します。 本稿では、ミックスドシグナル回路の性能を最適化するためのデジタル回路とアナログ回路の分割設計について紹介します。

PCB では、デジタル信号とアナログ信号の間の相互干渉を減らすために、電磁適合性 (EMC) の 2 つの基本原則を設計前に理解する必要があります。

電流ループの面積を最小限に抑えます。

システムは基準面を1つだけ使用します。

システムに 2 つの基準面がある場合、ダイポール アンテナが形成される場合があります。 信号が可能な限り最小のループを介し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、これは設計で可能な限り回避する必要があります。

デジタルグランドとアナロググランドの間の絶縁を実現するために、混合信号回路基板上でデジタルグランドとアナロググランドを分離します。 この方法は実現可能ですが、特に複雑な大規模システムでは、この方法に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、電磁放射と信号の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、信号線がパーティションのグランドまたは電源線と交差することによって引き起こされる EMI 問題です。

1.分割方法1

分割モード 1 を採用し、信号線が 2 つのグランド間のギャップを横切る場合、信号電流のリターン パスは何ですか? 分割された 2 つのグランドは、どこかで (通常はある位置の 1 点で) 接続されていると想定されます。 この場合、グランド電流は大きなループを形成し、大きなループを流れる高周波電流は放射と高インダクタンスを発生させます。

大きなループに低レベルのアナログ電流が流れると、電流は外部信号の影響を受けやすくなります。 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ます。 また、アナロググランドとデジタルグランドを接続してダイポールアンテナを形成します。

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。 多くの設計では、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。 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。 後者の場合、ギャップを横切るのは磁場です。 もう 1 つの実現可能な方法は、差動信号を使用することです。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 パスとしてグランドを使用する必要はありません。

2.分割方法2

実際の作業では、PCB は一般的に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 ボードの設計は、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、より複雑なレイアウトと配線の問題を解決できますが、グランドのセグメンテーション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、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、信号線の不適切なルーティングにより、回路基板の設計が完全に破壊されます。

3. A/D パーティション

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 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。 アナログ グランドとデジタル グランドを内部で接続しないでください。また、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。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 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。

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。 A/D コンバータの下でアナロググランドとデジタルグランドを分けて接続してください。

システム内に多くの A/D コンバーターがある場合、各 A/D コンバーターの下でアナログ グランドとデジタル グランドが一緒に接続されていると、多点接続が発生し、アナログ グランドとデジタル グランド間のアイソレーションが無意味になります。 そうでない場合、メーカーの要件に違反します。

一番良い方法は、最初にアナログ部分とデジタル部分を均等に分割することです。

このようなレイアウトと配線は、アナログおよびデジタル グランド ピン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、ループ アンテナまたはダイポール アンテナを形成しません。 PCB 設計、PCB メーカーは、PCB 設計 PCB 配線技術の例を紹介します。