市場の圧力により、電子機器の設計者は、従来製品よりも小型で高性能な製品の開発を継続的に求めています。
の モノのインターネット (IoT) ほぼすべてのデザインにワイヤレス機能も追加されています。その結果、アナログ、デジタル、 RF回路 近接して動作するため、レイアウトと接地に問題が生じます。
効率的なミックス信号接地方式の設計は時間がかかり、困難ですが、正しい接地原則に従うことで、ノイズ耐性が向上し、クロストークが減り、 EMI性能。
信号周波数と電流リターンパス
あらゆる信号源には、その種類に関係なく、回路を完成させる対応する戻り経路が存在します。電流がソースへ、またはソースから移動するときに形成される導電経路がループ アンテナを構成します。ループ領域を最小限に抑えるには、電流はできるだけ直接的にグランドを経由してソースに戻る必要があります。
取られる経路は信号周波数によって異なります。低周波数では、電流は最も抵抗の少ない経路を通ってソースに戻ります。複数の経路が考えられる場合、各経路に沿った電流密度は、全体に対するその部分の伝導度に比例します。
高周波信号の場合、最も低いインダクタンスのリターン パスが信号導体の真下に配置され、ループの総面積が最小限に抑えられます。戻り信号電流は、可能な場合はこのパスをたどります。
アナログデバイスとデジタルデバイスの特徴
デジタル回路とアナログ回路はどちらも電圧の変化を利用して情報を伝送しますが、接地システムへの影響に関して重要な違いがあります。
アナログ デバイスとRFデバイスはどちらも、電圧または電流の連続的な変化の形で情報を送受信します。ノイズやその他の発生源による信号への不要な妨害はエラーとなり、信号対雑音比 (SNR) を低下させます。RF回路とアナログ回路は信号伝播に関しては似ていますが、RFデバイスは振幅が非常に低いため、特定の周波数でのノイズの影響を受けやすくなります。
デジタル回路は、「高」状態と「低」状態を定義する2つの個別の電圧レベルを介して動作します。デジタル ドライバーは、これらのしきい値より高いまたは低い電圧レベルを作成するように設計されています。これらのしきい値電圧が受信機で正しく認識されている限り、デジタル回路は機能します。
アナログ グランドとデジタル グランド: 回路の接地技術
デジタル回路は、アナログ回路やRF回路よりもノイズや歪みの影響を受けにくくなります。ただし、スイッチング動作によって高周波ノイズが生成され、敏感なアナログ回路では問題が発生する可能性があります。後で説明するように、 アナログ-デジタル コンバータ (ADC) や デジタル-アナログ コンバータ (DAC) などのミックスド シグナル デバイスでは、追加の接地の問題が発生します。
効果的な接地設計では、アナログ コンポーネントとデジタル コンポーネント間の潜在的な問題を考慮する必要があります。標準的な接地技術の1つは、両面または多層プリント回路基板 (PCB) に、接地基準として使用されるグランド プレーンと呼ばれる連続した銅層を追加することです。
グランドプレーンの大きな金属領域は、アナログ回路からの低周波電流に対する抵抗が最も低く、高周波デジタル電流に対しては低インダクタンスのリターンパスを提供します。電磁干渉/無線周波数干渉 (EMI/RFI) からの放射を最小限に抑え、外部EMI/RFIに対する感受性を低減するシールドとしても機能します。
図1: アナログとデジタルのグランド プレーンを分割すると、大きな電流ループが発生する可能性があります (画像提供: Texas Instruments)
図1に示すように、電源グランドに接続されたアナログとデジタルのグランド プレーンを分割して構築することにより、アナログ セクションとデジタル セクションをさらに分離したくなるかもしれません。ノイズに敏感な回路は低ノイズのアナログ セクションに配置され、デジタル ロジック、リレー、 スイッチングDC/DCコンバータなどのノイズの多いコンポーネントはデジタル セクションに配置されます。すると、ノイズの多いデジタル電流と電源電流は、アナログ電流から分離された独自のセクションに残ります。
ただし、この設計では、信号から電源を経由する戻りまでの経路が大きなループを形成するため、2つのプレーンを横切る信号トレースに問題が発生します。
図2は、この手法の改良版を示しています。グランドプレーンは1つしかありませんが、ブリッジによって接続されたアナログセクションとデジタルセクションに分割されており、スターグランドと呼ばれることもあります。アナログ セクションとデジタル セクション間のすべてのトレースはこのパーティションを通過するため、これらの信号のループ領域が最小限に抑えられます。
図2: アナログとデジタルのセクションに分割された単一のグランドプレーンにより、ミックス信号トレースのグランドループが最小限に抑えられます (画像提供: Texas Instruments)
アナログとデジタルのグランド分離
正しいコンポーネント配置は効果的な接地設計の鍵となりますが、ADC、DAC、その他のミックス信号コンポーネントの適切な配置とはどのようなものでしょうか。このようなデバイスのほとんどは、アナログ グランド ピンとデジタル グランド ピンを別々に提供しており、アナログ システムにデジタル ノイズが導入されることを認識した上で、両方をアナログ グランドに接続することを推奨しています。これはデジタル ノイズが小さい場合には適切ですが、シグマ デルタADCなどの一部のミックスド シグナル デバイスには大きなデジタル セクションがあり、かなりのノイズが発生する可能性があります。
このような状況では、図3の接地方式が推奨されます。このレイアウトは、アナログ グランドとデジタル グランドを分離し、それぞれがブリッジに隣接する2つのパーティションにまたがるそれぞれのグランド プレーン パーティション ミックスド シグナル デバイスに接続します。
設計に複数のデータ コンバーターが含まれている場合、各コンバーターのスター ポイントによってデジタル パーティションとアナログ パーティションの間に複数のグランド ループが作成されるため、このアプローチには問題があります。
この場合、パーティションはすべてのADCとDACの下で相互に接続する必要があります。アナログ グランドとデジタル グランドは両方ともアナログ グランド プレーンに接続する必要があります。
電源はデジタル パーティションでボードに接続し、ノイズの多いデジタル回路に直接電力を供給する必要があります。次に、敏感なアナログ回路に電力を供給するために、フィルタリングまたは調整する必要があります。
図3: 高電流ミックス信号デバイスの接地方式では、各グランドを適切なパーティションにルーティングし、接続ブリッジまたはスターグランドを配置します (画像ソース: Analog Devices)
結論
ミックス信号設計に効果的な接地方式を設計するのは複雑な作業であり、あらゆる状況に最適な単一のソリューションは存在しません。ただし、上記の推奨事項に従うと、成功の可能性が最大限に高まります。