アナログ回路のPCBデザインルールを詳しく解説

アナログ回路のPCBデザインルールを詳しく解説

アナログ システムの構築は真空管の時代への回帰のように見えますが、アナログ コンポーネントと回路、およびそれらをサポートする PCB がすぐになくなることはありません。 純粋なアナログ回路基板と混合信号 PCB は、多くの製品で依然として重要であり、さまざまな周波数で動作し続けます。 PCB 設計のシミュレーションを開始して何を考慮するかは難しいかもしれませんが、これらのガイドラインが、成功を確実にするために実行できるステップを理解するのに役立つことを願っています。

共通の設計目標に基づいて、アナログ PCB と混合信号 PCB を検討するのが最善の場合もあります。 アナログ回路と PCB は特別な注意が必要です。これは、通常、信号をルーティングしてコンポーネント/回路に入力すると同時に、低ノイズ動作を確保することが目的であるためです。 次に、回路基板動作の周波数範囲によって、設計が期待どおりに動作することを保証するために必要ないくつかの対策が決まります。 このガイドでは、考慮すべき標準的なアナログ PCB 設計とレイアウトのガイドラインについて概説します。 低kHz周波数から高ミリ波周波数までカバーしていきます。

アナログ PCB レイヤースタッキング

回路が設計された後、層スタックは設計の最初のストップです。 アナログ層スタックは通常、デジタル PCB スタックの構築に使用されるのと同じ考え方に従います。 次の点に注意してください。

電源と接地: PCB レイアウトの重要な信号のルーティングの周りに多数の接地を使用し、それに応じて電源レールの配線を計画する予定です。 新しい設計者は、重要なアナログ相互接続の配線方法を考えるのに慣れているかもしれませんが、これを早い段階で行えば、それに応じて電源と信号の配線を計画できます。

高周波電源: アナログ ボードが高出力電力と高周波で送信する必要がある場合は、非常に安定した電源を提供する必要があります。これは高電流である可能性があります。 内層のガイドレールの代わりに電源層を使用し、隣接層にグランドプレーンを配置する予定です。

材料の選択: すべての設計者は、アナログ回路基板の各層に低損失の PTFE ベースのラミネートを使用したいと考えていますが、これらの高価な材料は必ずしも必要ではありません。 動作周波数が数十 GHz ではなく、短いケーブルのみを使用する場合は、長い相互接続をケーブル接続しない限り、標準の FR4 ラミネートを使用できます。 低損失ラミネートが必要な場合は、メーカーに連絡して、混合 PCB スタックの使用方法を確認してください。

今日のアナログ ボードは通常、アナログ部分と同じボード上にデジタル部分を含んでいます。 スタックでこれをどのように処理する必要がありますか? 混合信号 PCB では、アナログ部品とデジタル部品を直接配線する必要があるかどうかによって、通常、電源とグランドの推奨事項が異なります。

混合信号接地

回路基板にデジタル部品もある場合、コンポーネントの配置がより複雑になります。 一般に、デジタル回路は高速であるため、物理的に分離されたグランド プレーンを使用するのではなく、単一のグランド プレーンを使用する必要があります。 デジタル ブロックとアナログ ブロックのリターン パスが自然に分離されるようにレイアウトを計画してください。 これは低周波数では難しいため、非常に多くの設計ガイドラインがアナログとデジタルのグランド プレーンを分離して使用することを推奨し続けています。

混合信号電源

混合信号電源の場合、電源プレーンは通常、デジタル電源プレーンが異なる電源電圧で動作するのと同様に、デジタル部分とアナログ部分に分割されます。 これらの部品は同じ層に配置され、隣接する層の同じグランド プレーンを参照します。 さらに、デジタル電源レールは、アナログ電源レールの場合と同様に、回路基板のデジタル部分にのみ配置することをお勧めします。

また、デジタル部品とアナログ部品の間のギャップを配線して、デジタル部品とアナログ部品の間にインターフェイスを作成しないでください。 その理由を知りたい方は、こちらの記事をご覧ください。 必要なインターフェイスは、ADC によって提供されます。ADC は、ホスト コントローラーに組み込まれている場合もあれば、特別な IC である場合もあります。

PCB レイアウトでのコンポーネント配置のシミュレーション

残念ながら、考えられるすべてのコンポーネントの配置をカバーすることはできませんが、いくつかの重要なコンポーネントについて簡単に説明できます。 いくつかの重要なレイアウト ガイドラインを持つ最も興味深い 2 つのコンポーネントは、ADC とアンプ (オペアンプを含む) です。 ここでPLLについて言及したいのですが、これらの回路は多数のクロックルーティングと正確なタイミングに依存するため、別の記事を書く方がよいでしょう.

未使用のオペアンプの取り扱い

アナログ ボードに表示する必要がある 1 つのコンポーネントは、オペアンプです。 多くのオペアンプ IC では、一部のオペアンプがアイドル状態になります。 IC 上の未使用のリードは適切に終端する必要があります。 IC 内のオペアンプの未終端 (フローティング) リードは、ノイズを発生させて動作中の IC に伝播し、それによってシグナル インテグリティを低下させます。

単一の電源レールを使用している場合は、最初に出力をシンク入力に短絡する必要があります。 これにより、負のフィードバックが生成され、出力が入力に正しく追従することが保証されます。 次に、抵抗が等しい分圧器を同相入力ピンとグランド ピンに接続します。 これにより、入力電位が線形範囲の中間点に設定されます。 分割レールを使用する場合は、出力をシンク入力に短絡し、同相入力を接地するだけです。

パワーアンプの問題

低周波数では、アンプは他の PCB に適用されない特別な制限を受けません。 高周波で動作するパワーアンプの場合は状況が異なり、アンプの出力が不安定になる可能性があり、予期しない正帰還が発生する可能性があります。 いくつかのシミュレーションを使用してアンプ入力へのカップリングを追跡できますが、これらには PCB レイアウトと直接インターフェースできるフィールド ソルバーが必要です。 RF パワーアンプに関連するこの興味深いシグナル インテグリティの問題について詳しく知る。

ADCの場所

ADC は、アナログ信号がデジタル世界と接続する場所です。この部分にはデジタル部分が含まれるため、慎重に配置する必要があります。 分割 ADC は、デジタル部分とアナログ部分の間の境界に沿って大まかに配置するのが最適です。 実際、シリコン チップのグランド プレーンは入力/出力信号の基準プレーンを提供できるため、別個のグランド プレーンを持つミックスド シグナル システムでインターフェイスを作成するには、これが唯一の受け入れ可能な方法である可能性があります。 ただし、均一なグランド プレーンを使用すると、ADC の配置とグランド プレーンによって提供されるシールドの柔軟性が高まります。

アナログ PCB 配線ガイド

アナログ PCB 内の配線は、相互接続に沿って送信されるアナログ信号が相互接続の受信側で大幅に歪まないようにするためのものです。 アナログ PCB を使用する場合、通常、ネット数はデジタル PCB よりもはるかに少ないため、解決可能な計画が見つかるまで、できるだけ早くいくつかの可能なレイアウトを試すことができます。 役立つルート ガイドを次に示します。

配線の長さ: 一般に、アナログ PCB の配線は短くまっすぐに保つようにしてください。 信号周波数の増加に伴い、これは非常に重要です。 損失に加えて、信号の重要な長さに注意してください。

強制インピーダンス マッチング: 配線長が非常に短い場合でも、強制インピーダンス マッチングは依然として良い考えです。 これは、回路間の無反射電力伝送を確保するために、重要な回路またはコンポーネントでインピーダンス整合ネットワークを設計する必要があることを意味する場合があります。

コプレーナ配線を検討する: コプレーナ PCB 配線を使用して、インピーダンスを犠牲にすることなく高い分離を確保できます。 銅鋳造の「3W」クリアランス ルールに違反している間でも、インピーダンス制御を強制することができます。

ビアの使用を最小限に抑える: 各ビアは相互接続 S パラメータの損失を増加させるため、これらの損失を最小限に抑え、可能であれば必要なレイヤー変換のみを実行することが最善です。 まだ存在するビアの場合、アンテナのような強い放射を生成する可能性があります

回路基板で使用する主な周波数に応じて、平面層の間の内部層を介して配線することを検討できます。 絶縁が必要な場合は、ビア変換が最小限に抑えられる限り、内層の高周波ストリップラインまたはコプレーナ配線が推奨されます。 ビアのサイズが適切であること、ビアとリバース パッドを備えたプレーンとの間の間隔が動作周波数に適していることを確認してください。ただし、これは言うのは簡単ですが、実行するのは難しく、計算するのは簡単ではありません。 この特定のポイントは、測定 (S パラメータ) によってチェックする必要があります。これは、内側の層への信号変換中に近くのプレーンや他の導体がビア インピーダンスを変更するためです。

アナログ PCB レイアウトには考慮すべき多くの問題がありますが、適切な設計ツールとルール駆動型設計ソフトウェアを使用すると、アナログ システムをノイズ フリーに保ち、シグナル/パワー インテグリティを確保するために必要なガイドラインを実装するのに役立ちます。 回路基板アセンブリおよび回路基板処理の製造業者は、アナログ PCB 設計を導入するためにどこから始めるべきか、何を考慮すべきかを説明しています。