信頼性の高い混在信号PCBレイアウトのための主要原則

プリント基板（PCB）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ることがよくあります。アナログセクションは通常、信号をデジタル化のために調整し、デジタルセクションはアナログ信号をデジタルに変換して、今度はデジタルドメイン信号として処理します。PCB設計のこれら2つのブロックを分離することは、アナログ回路のインテグリティを確保するために非常に重要です。アナログ回路は通常、ノイズ信号に非常に敏感であり、デジタル回路は通常、電気的に非常にノイジーです。本記事では、混在信号レイアウト問題を回避するための一般的ルールと、アナログ回路部分をデジタル側から隔離する最良のアプローチについて説明します。

背景

簡単な復習として、高速AC信号の回帰パスについて議論することが重要です。DC信号の回帰パスを調べると、そのパスは単純に元の部品への最小抵抗パスになります。一方、AC信号の回帰パスは最小インピーダンスのパスをたどります。これは、AC信号の回帰パス電流が、元の信号トレースの真下の領域に局在化することを意味します。このルールの例外は、高速AC信号の下のグランドプレーンを分断すると、その信号の回帰電流が放射ループを作成することを強制される点です。この種のループは放射ノイズの供給源でも吸収源でもあり、可能な限り避けるべきです。この簡単な復習は、EMI（電磁干渉）低減の2つの基本ルールの1つを思い出させるはずです：回帰パスを元の信号パスにできるだけ近く保ち、回帰電流ループの作成を避ける。EMI低減のもう1つの基本ルールは、1つの参照プレーンのみを使用することを確実にすることです。2つ使用すると、PCBは実質的にダイポールアンテナになります。この簡単な復習を踏まえ、混在信号レイアウトの詳細に進みましょう。

混在信号トポロジー

設計者の最初の傾向は、アナログとデジタルのグラウディングスキームを使用して、基板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。このスキームの問題は、デジタル側からアナログ側へ接続を行うと、基板が（前節で議論したように）実質的にダイポールアンテナになることです。このような設計は、本質的に電気ノイズに敏感であり、同様に非常に電気的にノイジーになります。

この問題へのもう1つの一般的なアプローチは、アナロググランドとデジタルグランドを単一ポイントで接続することです（よく設計で使用される電源の負レール）。しかし、これは非常に悪い解決策です。デジタル側からアナログ側へ接続するトレースが、グランド接続ポイントを通じてループアンテナを形成し、設計からノイズを放射し、設計にノイズを受信する両方の役割を果たすためです。さらに、基板の独立したグランド部分を接続するトレースは、実質的にダイポールアンテナを作成します。両効果により、非常にノイジーでノイズに敏感な設計になります。

混在信号基板設計へのもう1つの一般的（若干より効果的な）アプローチは、「ブリッジ」によってアナログ部分とデジタル部分が直接接続される構成です。このスキームではデジタルグランドとアナロググランドが直接接続されますが、アナログ側からデジタル側へのすべての接続トレースが、アナロググランドとデジタルグランドが接続されている基板部分の上をルーティングされます。このようにして、2つの回路間を行き来する高速AC信号は直接の回帰パスを持ちますが、グランドプレーンは依然ある程度分離されています。このブリッジタイプ構成は、理論上、デジタル側がアナログ側と同じグランドプレーンを持つことを可能にし、単に基板の2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分離を提供します。このタイプの構成は通常、良好に動作する基板になりますが、なぜ最初からブリッジを使用するのでしょうか？高速AC信号の回帰電流は本質的に元のトレースに非常に近くに留まるため、デジタル信号の慎重なルーティングによりブリッジの必要性を回避できます。

混在信号レイアウトを完了する最良かつ最も簡単なアプローチは、単純に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分割することです。これら2つのパーティションは、基板全体の銅ベタで構成される同じグランドプレーンを共有できます。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側間の干渉を容易に回避できます。

したがって、これらのいずれの構成でも、パーティションが分離される境界線が、PCB設計で使用されるA/Dコンバータの論理的な配置場所になります。アナログ・デジタルコンバータが分離されたアナロググランドとデジタルグランドをまたぐのを見かけることは珍しくありませんが、基板が単一の連続したグランドプレーンを持つ、デジタル部分とアナログ部分の境界線に沿ってアナログ・デジタルコンバータを配置することは、非常に良い解決策です。

最後に、アナログ部分をデジタル部分から隔離する他のアプローチにも言及しておきます。光アイソレータを使用して、デジタル部分をアナログ側と光結合することは珍しくありません。このようにして、アナログ部分とデジタル部分はそれぞれ電気的に分離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、基板の2側が磁気的に結合されるトランスフォーマーを使用して、PCBの2部分を隔離することでも機能します。両アプローチとも有効ですが、通常は特殊用途向けに予約されています。

一般ルール

混在信号PCBレイアウトの一般ルールのまとめ：

• 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る。
• PCB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分割する。
• デジタル部品とアナログ部品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する。
• デジタル信号を基板のアナログ部分にルーティングせず、アナログ信号をデジタル部分にルーティングしない。
• アナログ・デジタルコンバータを、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境界線をまたぐように配置する。
• 単一の固体グランドプレーンを使用すると最高の結果が得られ、最も簡単なアプローチという追加メリットがある。
• 信号トレースをアナログパーティションからデジタルパーティションにルーティングしなければならない場合、それが基板のグランドプレーン全体上に完全に位置することを確認する。

参考リソース

• 高速PCBレイアウトにおける信号反射抑制法
• 信号インテグリティにおける高速PCB設計課題と解決策
• 高速デジタル・アナログ混在回路における信号インテグリティ解析とPCB設計
• PCB設計におけるビアのインピーダンス制御と信号インテグリティへの影響
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