混合信号レイアウトに関する考慮事項

多くの場合、プリント回路基板 (PCB) の設計には、アナログ セクションとデジタル セクションの両方が含まれます。アナログ セクションは通常、デジタル化のために信号を調整し、デジタル セクションはアナログ信号をデジタル信号に変換してから、現在のデジタル ドメイン信号に作用します。 PCB 設計のこれら 2 つのブロックを分離することは、アナログ回路の完全性を確保するために非常に重要です。通常、アナログ回路はノイズ信号の影響を非常に受けやすく、デジタル回路は通常、電気的ノイズが非常に大きくなります。この記事では、混合信号レイアウトの問題を回避するためのいくつかの一般的なルールに光を当て、アナログ回路部分をデジタル対応部分から分離するための最良の方法について説明します.

背景

簡単な復習として、高速 AC 信号のリターン パスについて説明することが重要です。 DC 信号のリターン パスを調べる場合、このパスは元のコンポーネントに戻る抵抗が最小のパスになります。ただし、AC 信号のリターン パスは、最小インピーダンスのパスに従います。これは、AC 信号のリターン パス電流が、元の信号トレースの下の領域に局在したままであることを意味します。このルールの例外は、高速 AC 信号の下でグランド プレーンを切断すると、その信号のリターン電流が強制的に放射ループを作成することです。この種のループは、放射ノイズのソースとシンクの両方であり、可能な限り回避する必要があります。この簡単なレビューは、読者に EMI (電磁干渉) 低減の 2 つの基本ルールの 1 つを思い出させるものです。リターン パスを元の信号パスにできる限り近づけて、リターン電流ループの作成を回避します。 EMI 低減のもう 1 つの基本的なルールは、基準面を 1 つだけ使用するようにすることです。 2 つ使用すると、PCB は効果的にダイポール アンテナになります。この簡単なレビューが手元にあるので、混合信号レイアウトの詳細に進みましょう。

混合信号トポロジー

多くの場合、設計者の最初の傾向は、アナログとデジタルの接地方式を使用して、ボードのアナログ部分をデジタル部分から単純に分離することです。このような方式の問題点は、基板のデジタル側からアナログ側に接続すると、(前のセクションで説明したように) 基板が効果的にダイポール アンテナになることです。そのような設計は、本質的に電気ノイズの影響を受けやすく、同様に非常に電気的ノイズが大きくなります。

この問題に対するもう 1 つの一般的なアプローチは、アナログ グラウンドとデジタル グラウンドを 1 点で単純に接続することです (多くの場合、設計で使用される電源の負のレール)。ただし、これは非常に貧弱なソリューションです。ボードのデジタル側とアナログ側を接続するトレースは、グランド接続ポイントを介してループ アンテナを形成し、設計から放射し、設計の電気ノイズを受信します。さらに、ボードの独立したグランド部分を一緒に接続するトレースは、効果的にダイポール アンテナを作成します。どちらの効果も、非常にノイズが多く、ノイズの影響を受けやすい設計になります。

ミックスド シグナル ボードを設計するためのもう 1 つの一般的な (やや効果的ですが) アプローチは、ボードのアナログ部分とデジタル部分が「ブリッジ」を介して互いに直接接続される構成です。このような方式では、デジタル グラウンドとアナログ グラウンドが互いに直接接続されますが、ボードのアナログ側からデジタル側へのすべての接続トレースは、アナログ グラウンドとデジタル グラウンドが接続されているボードの部分の上に配線されます。このようにして、2 つの回路間を行き来する高速 AC 信号には直接のリターン パスがありますが、グランド プレーンはまだいくらか分離されています。このブリッジ タイプの構成では、理論的にはボードのデジタル側がボードのアナログ側と同じグランド プレーンを持つことができますが、単にボードの 2 つの部分が連続したグランド プレーンを共有するよりもさらに絶縁されています。通常、このタイプの構成ではボードのパフォーマンスが向上しますが、そもそもブリッジを使用する理由は何でしょうか?高速 AC 信号のリターン電流は、本質的に元のトレースのすぐ近くにとどまるため、デジタル信号の慎重なルーティングによってブリッジの必要性を回避できます。

混合信号レイアウトを完成させる最も簡単な方法は、回路基板をアナログ パーティションとデジタル パーティションに単純に分割することです。これらの 2 つのパーティションは同じグランド プレーンを共有できます。このグランド プレーンは PCB 幅の銅箔で構成されます。高速デジタル信号を PCB のアナログ部分にルーティングしないことで、2 つの側の間の干渉を簡単に回避できます。

これらの構成のいずれにおいても、パーティションが分離されている分割線は、PCB 設計で使用されるアナログからデジタルへのコンバーターまたはコンバーターの論理的な位置になります。アナログからデジタルへのコンバーターが絶縁されたアナログおよびデジタルのグランドプレーンにまたがるのを見るのは前代未聞ではありませんが、議論したように、非常に良い解決策は、ボードのデジタル部分とアナログ部分の分割線に沿ってアナログからデジタルへのコンバーターを配置することです。ボードには単一の連続したグランド プレーンがあります。

最後に、ボードのデジタル部分からアナログを分離するための他のアプローチについて言及する価値があります。光アイソレータを使用して、ボードのデジタル部分をアナログ側と光学的に結合することは珍しくありません。このようにして、ボードのアナログ部分とデジタル部分は、実際には電気的に絶縁された独自のグランドプレーンを持つことができます。この種の構成は、トランスを使用して PCB の 2 つの部分を分離することによっても機能します。この場合、ボードの 2 つの側面が磁気的に結合されます。どちらのアプローチも有効ですが、通常は特殊なアプリケーション用に予約されています。

一般規則

以下は、混合信号 PCB をレイアウトするための一般的なルールの概要です。
• 設計のアナログ部分とデジタル部分を定義することから始めます。
• PCB をアナログ部分とデジタル部分に分割します。
• デジタル コンポーネントとアナログ コンポーネントがそれぞれのパーティションに割り当てられていることを確認してください。
• ボードのアナログ部分にデジタル信号を配線したり、ボードのデジタル部分にアナログ信号を配線したりしないでください。
/>• アナログからデジタルへのコンバーターは、基板のアナログ パーティションとデジタル パーティションの間の分割線をまたぐように配置します。
• 単一のベタ グランド プレーンを使用すると、次の利点が追加され、最良の結果が得られます。が最も簡単な方法です。
• 信号トレースをアナログからデジタル パーティションに配線する必要がある場合は、基板のグランド プレーン上に完全に配置されていることを確認してください。

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