組み込みシステムにおける高周波 PCB の設計スキル

組み込みシステムにおける高周波 PCB の設計スキル

今日の高速組込みシステムは、さまざまな機能、コンポーネント、デジタル インターフェイス、そしてもちろんワイヤレス/RF シグナリングを組み合わせています。 任意の計算能力を備えた組み込みシステムを設計し、アナログ フロントエンドも含める場合、複数の混合信号設計の課題に直面します。 1 GHz 未満の単純な無線接続、Wifi/BLE、またはギガビット イーサネットのいずれであっても、組み込みシステムは外界と対話する何らかの方法を必要とし、この方法は純粋なデジタル シグナリングに依存しません。 これは、バックプレーン、シングル ボード コンピューター、IoT 製品、およびその他のシステムに適用されます。

今日の組込みシステムで使用される高周波信号を使用する回路基板設計者は、設計プロセスの早い段階でこれらの問題を解決する責任があります。 高周波 PCB の設計の成功は、次の 3 つの側面に要約できます。

スタックの設計と接地

コンポーネントの配置

配線とインピーダンス制御

これが、このブログの多くの記事で紹介した基本的な設計手法であることは明らかです。 ただし、一部のデジタル機能を備えた高周波 PCB、特に最新の組み込みシステムは、システムが設計どおりに動作することを保証するために、これら 3 つの側面の成功に依存する必要があるため、ここではこれらの点を強調する必要があります。 次の PCB のレイアウトとレイアウトを開始するのに役立つように、組み込みシステムの高周波設計から各領域を見てみましょう。

高周波 PCB の設計課題

簡単に説明しますが、高周波 PCB とデジタル システムに関連する設計上の課題はすべて、シグナル インテグリティと、ある程度のパワー インテグリティに焦点を当てています。 ここで検討している PCB タイプは、組み込みシステム用のボードであり、いくつかの RF 機能も含まれます。 RF 部分は WiFi や BLE などの標準的なワイヤレス プロトコルによって実現でき、デジタル部分は MCU、MPU、または FPGA とほぼインターフェイスできます。

高周波信号を分離する

おそらく、これらのシステムで最も重要な設計上の考慮事項は、デジタル信号とアナログ信号の分離です。 システムにアナログ部分、アンテナフィーダーなどがある場合、クロストークがアナログ信号に干渉するため、アナログ部分をデジタル部分から分離する必要があります。 これは、以下で詳しく説明するように、自然な分離を提供するため、導波管ルーティングが最もよく使用される理由の 1 つです。

このセクションを正常に完了することができれば、アナログ セクションの EMI 耐性がより高いアナログ セクションの作成に近づくことになります。 以下で説明するように、配線フェーズ (設計の最後) ではなく、スタッキング フェーズ (設計の開始) でこれについて考え始めることをお勧めします。 まず、組み込みシステムのレイアウト設計では、いくつかの特性を考慮する必要があります。

組込み技術の違いは何ですか?

組み込みシステムと、高周波 PCB を使用する他の多くのデジタル システムとの違いは、高速デジタル インターフェイスの使用です。 高速コンピューティング インターフェイスではデータ伝送に差動ペアが使用されますが、デジタル部分とアナログ部分の間でコモン モード ノイズ (クロストーク) が発生する可能性があります。 さらに、立ち上がり時間が速い信号は信号パワーをより高い周波数に集中させるため、シングルエンドの RF 相互接続でノイズとして現れる可能性が高くなります。

基本的に高速なミニコンを扱っているので、パワーインテグリティ、特にグランドバウンス/トラックバウンスも考慮する必要があります。 2 つの効果は基本的に同じですが、表示方法が異なります。

適切な PCB スタックは、ほとんどの電力およびシグナル インテグリティの問題を解決できます。 スタッキングは、溶解性、分配性、インピーダンス制御、EMI/EMC、熱制御、および絶縁にも影響します。 高速デジタル インターフェイスとアナログ パーツを備えた組み込みシステムを設計している場合は、スタックを使用して設計について考え始めることができます。

純粋なアナログまたはミックスド シグナル機器を使用している場合、スタッキングおよび接地計画で考慮すべき重要事項が多数あります。 ただし、高速・高周波部品も基板上に配置する必要があるため、配線前に部品の配置を確認するのは当然です。

上部参照面の上に配置されたコンポーネント

まず、グランド プレーンをデジタル部分とアナログ部分に分割する必要がありますが、一貫した低リアクタンスの接地経路を提供するために、2 つの部分を物理的に接続したままにします。 複数の周波数の周波数 RF 信号を使用している場合は、これらの信号とコンポーネントに使用する 3 番目のアナログをカットすることを検討してください。 上記の手順に従ってグランドと電源をスタックすると、電源部分についても同じことが既に行われており、理想的には、PDN の高い伝送インピーダンスによって引き起こされるマルチポート励起を防ぐことができます。

デジタル部品と RF 部品をグランド プレーンの上で分離し、リターン パスに従って信号が PCB レイアウトで分離されるようにします。

絶縁配線用高周波基板

次に考慮すべき点は、コンポーネント間の配線方法です。 ただし、干渉を防ぐために、さまざまなボード部品と相互接続を分離するためのいくつかの戦略も必要になる場合があります。 いくつかの戦略は次のとおりです。

表層のコプレーナ導波管配線、特にコンポーネント間の配線、フィーダまたは同軸コネクタへの配線。

レイヤーが十分にある場合は、リボン ルーティング用に 1 つのレイヤーを残すことを検討してください。 超高周波（ミリ波）ではビアが問題になる場合がありますのでご注意ください。

位相のずれた 2 つの放射源が生成されるため、RF 電源プレーンの周囲にアース スルー ホール フェンスを配置すると、良好な抑制効果が得られます。

バンドギャップ構造は、高周波 PCB に直接印刷できるため、アイソレーションを提供するために使用することを検討してください。

一貫したインピーダンス整合を確保するための相互接続の設計方法は、干渉を防止するための配線方法ほど重要ではありません。 ここでおそらく最も重要なポイントは、リターン パスを追跡し、RF 相互接続をデジタル部分から遠ざけることです。 RF 相互接続の近くに大きなリターン電流がない限り、クロストークに関する懸念を減らすことができます。 しかし、プロトタイプ設計の前に、まだ評価すべき点が多く、オンサイト ソルバーはこれらの問題を見つけるのに役立ちます。

フィールド ソルバーを使用してプロトタイプを作成する前にボードを評価する

プロトタイプの実行を省略し、超高周波信号/電力の完全性の問題を発見できる限り、時間とお金を節約できます。 正しいフィールド ソルバーは、PCB レイアウトを完成させ、RF 製品が設計どおりに動作することを保証するために必要な重要なシグナル インテグリティ インジケーターを計算するのに役立ちます。 高周波 PCB では、チェックすべきいくつかの重要なポイントは、ネットワーク パラメータ、放射 EMI、および異なる基板部品間の干渉です。 アンテナを基板に直接配置する場合は、放射パターンと放射電力も確認する必要があります。 PCB 処理および PCB アセンブリ メーカーが、組み込みシステムにおける高周波 PCB の設計スキルを説明します。