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ディジタルアナログ混載回路のPCBボード設計
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ディジタルアナログ混載回路のPCBボード設計

ディジタルアナログ混載回路のPCBボード設計

2022-02-28
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Author:pcb

In the design of high speed PCBボード, ディジタルアナログハイブリッド回路のPCB設計における干渉問題は常に困難な問題であった. 特に, アナログ回路は一般に信号源である. 信号を受信して正しく変換できるかどうかは、PCB設計において考慮すべき重要な要素である. ハイブリッド回路の干渉のメカニズムを分析することによって, デザイン実践と組み合わせる, ハイブリッド回路の一般的処理方法について論じた, そして、それは設計例によって確かめられます. A printed circuit board (PCB) is a support for circuit elements and devices in electronic products, そして、それは回路要素と装置の間の電気接続を提供します. 現在、単一機能回路ではないPCBsが多く存在する, しかし、デジタルとアナログ回路の混合. データは一般にアナログ回路で収集および受信される, ソフトウェア制御のために帯域幅と利得をデジタル化しなければならない, したがって、デジタル回路とアナログ回路は、1枚のボード上にしばしば共存する, 同じコンポーネントを共有しても. 相互干渉を考慮した回路性能への影響, 回路のレイアウトと配線はある原理を持たなければならない. 混合信号PCB設計におけるアナログ回路とディジタル回路の間の雑音結合を分離するための電力伝送線路の特別要求と設計の間のレイアウトと配線の複雑さを増大する要件. ヒア, 高密度混合信号PCBのレイアウトとルーティング設計を解析することによって必要とされるPCB設計目標を達成する.

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1. The generation mechanism of digital-analog hybrid circuit interference
Compared with digital signals, アナログ信号は雑音に非常に敏感である, アナログ回路の動作は、電流および電圧を連続的に変化させることに依存するので, そして、少しの干渉は、その通常の操作に影響を及ぼすことができます, デジタル回路の動作は、所定の電圧レベルまたはしきい値に従って、受信端に依存して高レベルまたは低レベルを検出する, そして、特定の干渉防止能力. しかし、混合信号環境で, デジタル信号はアナログ信号に対するノイズの源である. デジタル回路が働いているとき, 2種類の電圧しかない, 高低, 安定実効電圧. デジタル論理出力が高電圧から低電圧に変わるとき, 装置の接地ピンは放電する, スイッチング電流を生じる, これが回路のスイッチング動作である. ディジタル回路の高速化, スイッチング時間が短くなるのが一般的である. 多数のスイッチング回路が同時に論理ハイレベルから論理ローレベルに変化するとき, 接地線が電流を通すことができないため, 大量のスイッチング電流が生じる. 論理接地電圧は変動する, 我々はそれを地面バウンスと呼ぶ. 図1に示すように. ディジタル回路によるグラウンドバウンス雑音と電源障害, アナログ回路に結合されるなら, アナログ回路の性能に影響する. 電源とグランドバスによってかなりの干渉源が生成されるので, 接地線に起因する雑音妨害の中で, グラウンドおよび電源の設計は、PCB設計において特に重要である.

2. General processing principles for PCB design of digital-analog hybrid circuits
The above mentioned the generation mechanism of hybrid circuit interference, デジタル信号とアナログ信号の相互干渉を低減する方法? Two basic principles of electromagnetic compatibility (EMC) must be understood before design: The first principle is to minimize the area of the current loop, を返します。, 大きなループを形成した形のアンテナ. 第2の原理は、システムが1つの基準面だけを使用するということである. 逆に, システムが2つの参照面を持つなら, ダイポールアンテナを形成することが可能である. これらの状況の両方は、デザインの可能な限り避けるべきである.
(1) Layout and routing principles. コンポーネントレイアウトにおいて考慮すべき第1の要因の1つは、アナログ回路部分をデジタル回路部分から分離することである. アナログ信号は、ボードの全ての層のアナログ領域においてルーティングされる, そして、デジタル信号はデジタル回路領域22において、発送される. この場合は, デジタル信号リターン電流は、アナログ信号グラウンドに流入しない. 高周波数と特別な要件を持ついくつかの行, 必要に応じて差動線またはシールド線を使用する. 入力の位置によって/出力コネクタ, デジタル回路とアナログ回路の配線を混ぜる必要がある, したがって、アナログ回路とデジタル回路が互いに干渉する可能性が高い. これは、アナログ電源プレーンに隣接してデジタルクロックラインと高周波アナログ信号線を走ることを避けるためである, otherwise, 電力信号のノイズは、高感度アナログ信号に結合される. 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. デジタル回路の周波数は高い, アナログ回路の感度は強い. 信号線用, 高周波デジタル信号線は、できるだけ敏感なアナログ回路装置から遠ざかるべきです.
(2) Handling of power and ground. 複雑なハイブリッド回路基板の設計において, 地上トレースのレイアウトと処理は回路性能を改善する上で重要な要素である. デジタルおよびアナロググラウンド間の絶縁を達成するために混合信号ボード上のデジタルおよびアナロググラウンドを分離することが提案されている. しかし、このアプローチは、スプリットギャップを横切る傾向がある, これは、電磁放射と信号クロストークの劇的な増加を引き起こす可能性があります. どこでどのように電流が地面に戻るかを知ることは混合信号ボード設計を最適化する鍵である. グランド層が分割されなければならないなら, そして、配線は分割間のギャップを通してルーティングされなければならない, 2つの敷地の間の接続ブリッジを形成するために、分割された敷地の間で1点接続を行うことができる, そして、接続ブリッジを通して発送されます. このように, 各信号線の下に直流リターンパスを設けることができる, 又は光アイソレーション装置, 変圧器, etc. を使用することができます. しかし, 実際には, PCB設計は統一グラウンドを使用する傾向がある. ディジタル回路とアナログ回路の分割と適切な信号配線, いくつかの困難なレイアウトと配線の問題は、通常解決することができます, また、地盤分離に起因する潜在的なトラブルは発生しない. . 回路基板テスト結果を比較することによって, 統一解は,機能性とemc性能に関して,分割解より優れていることも見出した. 通常、混合信号PCBsの上に別々のデジタルおよびアナログ電源がある, スプリットパワープレーンを使用する, 地面の真下に. パワープレーンは、RF電流を空間に取り付けることができる回路に結合することができる. この結合効果を低減するために, the power planes are required to be physically 20H smaller than their adjacent ground planes (H refers to the distance between the power supply and the ground plane).
(3) Handling of hybrid devices. 共通ハイブリッドデバイスは水晶発振器を含む, 高速広告装置, etc., そして、デバイス内のデジタル回路とアナログ回路の2つの部分がある. 一般に, AGNDおよびDGNDピンは、同じ低インピーダンスアナログ接地面に外部接続されるべきである, そして、リードは可能な限り短くなければなりません. DGNDのどんな付加的なインピーダンスも、寄生容量を通してデバイスの中のアナログ回路により多くのデジタルノイズを連結する. . もちろん, これを行うことによって、コンバータ内のデジタル電流がアナログ接地面に流れる, しかし、これは、コンバータのDGNDピンをノイズの多いデジタルグランドプレーンに接続するよりはるかに少ない侵入性です. 地面のように, アナログおよびデジタルパワーピンは、可能な限り各パワーピンの近くに適切なバイパスコンデンサを備えたアナログ電力プレーンに接続されるべきである. 必要なら, インダクタを横切ってそれらを接続することによって、デジタルパワーピンからアナログパワーピンを分離する.
(4) Add decoupling capacitors. デカップリングコンデンサは高周波干渉を排除できる. コンデンサの容量性リアクタンスは周波数に反比例するので, キャパシタと信号との間の並列接続は、高周波ノイズをバイパスすることができる. 原則的に, 0.01 MF ~ 0.各々の集積チップに1 mFセラミックチップコンデンサを追加する, チップがエネルギーを蓄えるのを可能にするだけではない, チップの回路がドアを開閉する瞬間に、充電および放電エネルギーを供給し、吸収する, しかし、フィルタ. デバイスの高周波ノイズコンポーネント. Adding a 10mF~100mF electrolytic capacitor (tantalum capacitor) to the power input can suppress the noise interference of the power supply. もちろん, 追加されたコンデンサリードは長すぎてはならない, コンデンサのリード長が非常に重要なパラメータであるので, 鉛が長い, 誘導インダクタンスが大きい, コンデンサの共振周波数が低くなる, そして、高周波ノイズに周波数のフィルタリングの影響が弱くなるか、または消えることも. コンデンサをできるだけチップに近づける.
(5) A large area of copper clad foil is connected to the analog ground. アナログ回路部分に銅箔の大きな領域をカバーし、アナロググラウンドに接続するために空白領域の密な穴をドリル加工する, シールドと隔離の役割を果たすことができる, それによって、アナログ信号間の相互干渉を減らす, また、放熱に役割を果たすこともできます.
(6) The power line and the ground line should be as short and thick as possible, 特にデジタル電源とアナログ電源をつなぐ磁気ビーズ上の線は厚いに違いない, 電圧降下を減らすことに加えて, 結合雑音を低減することがより重要である.

3. PCB design example of hybrid circuit
The layout of the printed board separates the analog circuit from the digital circuit, そして、各々のチャンネルが各々のチャンネルのアナログ信号が互いに干渉しないことを確実とするために特定の距離で完全に独立しています. アナログ回路をできるだけ基板の縁に近づける, そして、デジタル回路をできるだけ電力接続の近くに配置して、diを減らす/ディジタルスイッチングによるDT効果. 電力供給部門において, このプリント基板のアナログ信号はすべて表面層2にある, そして、彼らは短くて、可能な限り訓練されます. アナログ信号の隣の第2のレイヤーおよび第19のレイヤーは、完全で統一されたアナロググランドプレーンである, アナログ信号の戻り経路とインピーダンスを確実にするために, そして、分割された地面の向こうにEMI問題がありません. 高速信号層は接地面層の隣にある, 重要な信号線はストリップラインに送られる, そして、クロックおよびリセットに敏感なシグナルラインは、2つのグランドプレーン間の第3のレイヤーに発送される. デジタルとアナログパワーは別々の飛行機を持つ, 両方分割, しかし、各々のパワープレーンは、また、すぐにグランドプレーン層18に隣接している. A高速/Dハイブリッドデバイスは、ボード上のアナロググラウンドに接続されている, それで, デバイスの外部接地ピンは、アナロググラウンド22に接続される, 電源ピンは全てアナログ電源に接続される, そして、デカップリングコンデンサは、高周波干渉を排除するために電源ピンの隣に添加される. 電源またはグラウンドに接続されている磁気ビーズインダクタ上の線は厚くなるべきである, そして、いくつかの信号線は、電源またはグランドプレーンに接続するためにドリルされなければならない, これは、電圧降下を低減し、ノイズを低減することができます. 大きなビアホールが使用されることもある. 飛行機に接続することも要件を満たすことができます. 高周波信号ラインは、ライン幅およびライン間隔によって厳密に制御され、インピーダンス要件を満たす. それらはすべて手動で有線である, そして、アナログ回路部の銅箔の広い領域のブランク領域に、密な穴をドリルして、アナロググランド22に接続する. このプリント基板上の100 mクロック信号線を設計し,設計ソフトウェアにより解析した, 信号伝送は基本的に妨げられない, 通信要件を満たす. デバッグ後に生成されたプリントボードは、デジタル信号のアナログ信号への干渉が非常に小さいことを示している, パラメータインジケータは良い.

4. Conclusion
Hybrid circuit PCB design is a complex process. 部品のレイアウト及び配線及び電源及び接地線の取扱いは、回路性能及び電磁両立性に直接影響する. 特定の配線規則を設計の後に設計しなければならない PCBボード 設計要件を満たす.