PCBブログ - アナログ回路とディジタル回路のPCBボード設計の違い

本稿では、バイパスコンデンサについて、アナログとデジタルルーティングの基本的な類似点と相違点について議論する, 電源, グラウンドデザイン, 電圧誤差, and electromagnetic interference (EMI) caused by PCBボード ルーティング. エンジニアリング分野におけるディジタル設計者とディジタル回路基板設計の増加は業界の動向を反映する. デジタルデザインに重点を置いているが, がある, そして常に, アナログまたは実世界環境とインタフェースする回路設計の一部. アナログとデジタル領域におけるルーティング戦略の間にはいくつかの類似点がある, しかし、より良い結果になるとき, 単純な回路ルーティング設計は、それらの異なるルーティング戦略のためにもはや解決でありません.

1. Similarities of Analog and Digital Routing Strategies

1.1 Bypass or decoupling capacitors
Both analog and digital devices require these types of capacitors when wiring, そして、両方とも、その電源ピン12に近いコンデンサを必要とする, 通常0.1 UF. 別のタイプのコンデンサがシステムの電源側に必要である, 通常、このコンデンサの値は約10 UFである. コンデンサの値の範囲は1の間です/10と10倍推奨値. しかし, the pins must be short and as close as possible to the device (for 0.1uF capacitors) or the power supply (for 10uF capacitors). ボード上にバイパスまたはデカップリングコンデンサを追加する, そして、それらのコンデンサの基板上への配置, デジタルとアナログの両方のデザインの常識. でも面白い, 理由は違う. アナログ配線設計, バイパスコンデンサは、通常、電源上の高周波信号をバイパスするために使用される. バイパスコンデンサがない場合, これらの高周波信号は、電源ピン16を介して高感度アナログチップに入ることができる. 一般に, これらの高周波信号の周波数は、アナログ装置が高周波信号を拒絶する能力を超える. バイパスコンデンサがアナログ回路で使われないなら, それはノイズを導入することができます, より厳しいケースで, 信号経路の振動.

コントローラやプロセッサなどのデジタル機器について, デカップリングコンデンサも必要です, 違う理由で. これらのコンデンサの1つの機能は、「ミニ」チャージリザーバ. デジタル回路, スイッチングゲート状態は、通常、大量の電流を必要とする. 余分な「スペア」チャージを有することは、スイッチング時にチップおよび基板を通るスイッチング過渡現象のために有益である. スイッチング動作を実行するのに十分な電荷がない場合, それは、供給電圧の大きな変化を引き起こすでしょう. 大きすぎる電圧変動は、デジタル信号レベルが不確定状態に入り、デジタルデバイスの状態機械が誤って動作する原因になる可能性がある. 回路基板トレースを流れるスイッチング電流は、電圧を変化させる. 回路基板のトレースに寄生インダクタンスがある. 電圧変化を計算するために以下の式を使用することができる/dt. V＝電圧の変化ボードトレースの誘導リアクタンスdi =トレースを流れる電流の変化現在の変化の時間. したがって, it is good practice to apply bypass (or decoupling) capacitors at the power supply or at the power supply pins of active devices for a number of reasons. 電源ケーブルとグランドケーブルを一緒に敷設する必要があります. 電源ケーブルとグランドケーブルの位置はよく合っている, これは、電磁干渉の可能性を減らすことができます. 電力線および接地線が適切に一致しない場合, システム内のループが設計され、ノイズが発生しやすい. この板で, 設計されたループ面積は697 cm 2である. 回路基板上の又はオフの放射ノイズは、ループ内の電圧を誘導しにくい. アナログおよびディジタル領域におけるルーティング戦略の違い.

アナログ回路とディジタル回路の両方に適用する回路基板レイアウトの基本. 親指の基本的なルールは、中断されたグランドプレーンを使用することです. この常識はDIを減らす/dt (current versus time) effect in digital circuits, これは、グラウンドの電位を変え、アナログ回路にノイズを導入できる. デジタルおよびアナログ回路の配線技術は基本的に同じである, 一つの例外で. アナログ回路に注意する別のポイントは、アナログ回路から可能な限り遠くにデジタルプレーンとグランドプレーンのループを保つことである. これは、アナログ接地面のみをシステムグラウンド接続に接続することによって達成することができる, または、ボードの遠端にアナログ回路を配置することによって, 行末に. これは外部からの干渉から信号経路がなくなるようにする. これはデジタル回路には必要ない, これはグラウンドプレーン上の多くのノイズを問題なく解決できる.

1.2 Location of components
As mentioned above, すべてのPCB設計において, the noisy and "quiet" (non-noisy) parts of the circuit are separated. 一般に, digital circuits are "rich" in noise and insensitive to noise (because digital circuits have a larger voltage noise margin); in contrast, アナログ回路は、電圧ノイズマージンが非常に小さい. 二つの, アナログ回路はスイッチングノイズに敏感である.

混合信号システムの配線で, これらの2つの回路は分離される. 問題を引き起こす2つの基本的な寄生成分は PCBボード 寄生容量と寄生インダクタンス. 板の設計, つのトレースを互いに近接させることにより、寄生キャパシタンスが形成される. これは2つの異なる層で行うことができます, 他の上に一つの痕跡を置くまたは同じ層, 他の隣に1つの跡を置く. 両方のトレース構成, a change in voltage over time (dV/dt) on one trace may generate current on the other trace. 他のトレースが高インピーダンスである場合, 電場によって生成された電流は電圧に変換される. 高速信号過渡現象はアナログ信号設計のディジタル側でしばしば起こる. この電圧は、高速過渡現象を伴うトレースが高インピーダンスアナログトレースの近くに配置される場合、アナログ回路の精度に重大に影響を及ぼす可能性がある. この環境で, アナログ回路には2つの欠点がある。それらのノイズマージンはデジタル回路のそれよりもはるかに低い高インピーダンストレースはより一般的である. この現象は、以下の2つの技術のうちの1つを使用して低減することができる. 共通の技術は、キャパシタンスの式に従って、トレース間のサイズを変えることである. 変更する効果的な寸法は、2つのトレース間の距離です. 変数dは静電容量式の分母であることに留意されたい, dが増加するにつれて, 容量性リアクタンスは減少する. 変更できる別の変数は、2つのトレースの長さです. この場合は, 長さLが低減され、2つのトレース間の容量リアクタンスも低減される.

もう一つのテクニックは、これらの2つの跡の間に地面跡を送ることです. 接地線は低インピーダンスである, そして、このような別のトレースを加えることは妨害電場を減衰させる. 回路基板の寄生インダクタンスの原理は寄生キャパシタンスと同様である. また、2つの跡を置くことです. 二つの異なる層, 他のトレースの上に1つのトレースを置きますまたは同じ層, 他の隣に1つの跡を置く, 図6に示すように. これらの2つのトレース構成で, the change of current on one trace with time (dI/dt) will generate voltage on the same trace due to the inductive reactance of this trace; and due to the existence of mutual inductance, それは、比例電流が他の跡に描かれるでしょう. トレース上の電圧変動が十分大きい場合, 干渉は、デジタル回路の電圧耐性を低下させ、エラーを引き起こす. この現象はディジタル回路に特有ではない, しかし、大きな過渡的なスイッチング電流が存在するデジタル回路では一般的である. EMI源からの雑音の除去, 雑音の多いIからの別々の「静かな」アナログ線/ポート. 低インピーダンス電力とグラウンドネットワークを達成しようとする, デジタル回路ワイヤの誘導リアクタンスは最小化されるべきである, そして、アナログ回路の容量結合を最小化すべきである.

2. Summary
Cabling strategies are often presented as a rule of thumb because it is difficult to test the ultimate success of a product in a laboratory environment. したがって, ディジタルおよびアナログ回路のルーティング戦略における類似性にもかかわらず, ルーティング戦略の違いを認識し、真剣に取ることが重要です. 一旦デジタルおよびアナログ範囲が決定されると, 慎重なルーティングは成功に重要です PCBボード.