高速デジタル・アナログ混在回路における信号品質とPCB設計のマスター術

クロック周波数が上昇し続ける電子システムにおいて、タイミング不整合や伝送線反射などの信号品質問題が顕在化し、回路システムの正常動作を大きく損なっています。さらに、PCB上の配線が高密度化することでクロストークノイズが発生し、信号伝送品質が低下します。高速デジタル・アナログ混在回路においては、信号動作の実態に合わせてPCB設計を合理的に実施し、信号品質問題を解決し、信号伝送品質を継続的に向上させ、各業界・分野の発展に重要な情報源を提供する必要があります。

高速デジタル・アナログ混在回路の信号品質

信号品質とは、信号線上の信号の品質を指します。信号品質を確保するには、空間的整合性の確保と回路の対応要件の双方を満たす必要があります。例えば、最大入力に対するローレベル要件を満たすこと、タイミング整合性を確保し、回路の最小保持時間を確保することなどです。

回路の信号品質に影響する要素

1. 遅延
   一般に信号伝送はPCB上のリードに依存し、伝送過程で遅延が発生する可能性があります。伝送信号に遅延が生じると、回路システムのタイミングが影響を受け、さらに信号品質に影響します。伝送遅延はリード長や隣接媒質の誘電率などの要素から生じます。
2. 反射とクロストークノイズ
   回路動作中、信号ネットワーク上にスルーホールビアや曲がりが発生すると反射ノイズが生成されます。また、回路ネットワークと電源分配システムの間で電磁結合が起こるとクロストークノイズが発生し、信号が干渉されて伝送に影響を与えます。

回路信号品質のために解決すべき問題

1. 電源分配
   高速デジタル・アナログ混在基板設計では、電源分配ネットワークを隅々まで分析する必要があります。必要な電力を低ノイズで回路に供給し、VCCとグランドを含める必要があります。さらに、PCB上で生成・受信される信号を主対象として、対応する信号回路に提供する必要があります。
2. クロストーク問題とEMCの適用
   クロストークとは、容量性および誘導性の特性を持つトレース間の冗長信号結合を指します。容量性クロストークは信号線間の容量結合であり、異なる線が接近すると発生します。誘導性クロストークは冗長トランスのコイル間の信号結合であり、電流ループの影響で発生します。EMC（電磁両立性）の助けにより、あらゆる電気機器とシステムが電磁環境下で共存できます。ある観点からは、回路システム信号はEMCの効果により影響を受けず、利用可能な性能と機能が破壊されず、周囲環境に大量の電磁エネルギーがあっても、隣接機器の正常動作に影響を与えません。

高速デジタル・アナログ混在回路PCB設計

EMCを完全に理解した上で、ルールに従う必要があります。PCB設計時、電流ループが捉える面積を可能な限り小さくし、回路信号がスムーズに通過できるようにし、大規模ループアンテナの形成を避ける必要があります。さらに、設計プロセスで複数の参照プレーンを適用せず、双極子アンテナの形成を避けて信号伝送への影響を防ぐ必要があります。

レイアウトと配線

部品レイアウト時、アナログ回路とデジタル回路を互いに分離する必要があります。デジタル信号を例に取ると、配線はデジタル回路内で実装されます。その結果、デジタル信号がアナログ信号エリアに侵入せず、アナログ信号への干渉と正常伝送への影響を防止できます。トレースが比較的高周波の場合は手動配線が必要です。したがって、入出力コネクタの配置位置に注意し、アナログ回路とデジタル回路の配線を適切に処理して相互影響を避ける必要があります。低インピーダンスの電源・グランドネットワークを適用し、デジタル回路リードが比較的大きな誘導性リアクタンスを受けたり、アナログ線で容量結合が起きたりするのを防ぎます。さらに、デジタル回路の周波数が比較的高く、アナログ線の感度が比較的強い場合、一定の距離を相互に維持する必要があります。

電源線とグランド線

設計プロセスでは、グランド線を合理的に配線・処理して回路性能を向上させる必要があります。高速デジタル・アナログ混在回路設計を最適化する際、回路のグランドリターンの手法を完全に理解する必要があります。グランドプレーン線を分割する必要がある場合、スペーシング配線をクロスさせる必要があります。一点接続で分割されたグランドを接続し、接続ブリッジを確立します。この接続ブリッジを通じた配線最適化に基づき、各信号線の直下に直接的な回路リターンパスを配置する必要があります。もちろん、光アイソレータを用いて信号間隔をフィールド間で分離することも可能です。PCB設計プロセスでは、デジタル回路とアナログ回路を総合的に適用し、回路信号配線に注意を払って実践的な問題を効果的に解決する必要があります。高速デジタル・アナログ混在PCBの試験結果を徹底的に分析し、設計案を最適化し、EMCを柔軟に適用してPCBを合理的に設計します。さらに、混在信号PCBでは、独立したデジタルとアナログ電源を取得し、分割電源プレーンの助けを借りて電源プレーンを制御する必要があります。

ハイブリッドデバイスの処理

一般に、ハイブリッドデバイスはすべて水晶発振子を持ち、内部はデジタル回路とアナログ回路で構成されています。設計プロセスでは、DGNDとAGNDのピンを同じ低インピーダンスに接続し、リードを可能な限り短くして、すべてのDGNDが通過できるようにする必要があります。コンバータ内部のデジタル電流がアナロググランドプレーンに入っても、信号に比較的大きな干渉は生じず、正常な情報伝送が確保されます。それに基づき、デジタルおよびアナログ回路のピンをアナログ電源プレーンに接続し、バイパスコンデンサに近接させる必要があります。

参考資料

• 混在信号レイアウトの考慮事項
• PCB高速信号回路設計における3つの配線技術
• 高速PCBレイアウトにおける信号反射抑制手法
• 高速PCB設計における信号品質の課題と解決策
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応