高速デジタル・アナログ混在回路におけるシグナルインテグリティ解析とPCB設計

クロック周波数がますます高くなる電子システムの過程においては、タイミングシーケンスの誤りや伝送線路の反射不良といったシグナルインテグリティの問題が徐々に顕在化し、回路システムの正常な動作に深刻な影響を及ぼす。また、PCB 上の配線は非常に高密度となり、クロストークノイズが発生して信号伝送に悪影響を与える。高速なデジタル・アナログ混在回路においては、信号の実際の伝搬状況に応じて PCB 設計を合理的に行い、シグナルインテグリティの問題を解決して信号伝送の品質を継続的に向上させ、さまざまな産業や分野の発展に重要な情報源を提供する必要がある。

高速デジタル・アナログ混在回路のシグナルインテグリティ

シグナルインテグリティとは、信号線上の信号の品質を指します。信号のインテグリティを確保するためには、空間インテグリティの保証や、それに対応する回路上の要件など、いくつかの条件を満たす必要があります。例えば、入力を最大化するためには、低レベルに関する要件を満たさなければなりません。さらに、時間的インテグリティを確保し、回路の最小保持時間を確保する必要があります。

・回路の信号インテグリティに影響を与える要素

1). 遅延

一般的に、信号伝送はPCB上のリードに依存しており、伝送の過程で伝送遅延が生じる場合があります。伝送された信号に遅延が発生すると、回路システムのタイミングシーケンスに影響を及ぼし、さらに信号の完全性にも影響します。伝送遅延は、リードの長さや隣接媒体の誘電率などの要素に起因します。

2). 反射およびクロストークノイズ

回路システムの動作中に、スルーホールビアや配線の折れ曲がりが信号ネットワーク上で発生すると、反射ノイズが生じます。また、回路ネットワークと電源分配システムと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、その結果、信号が干渉を受けて信号伝送に影響を及ぼします。

・回路の信号完全性に関して解決すべき課題

1). 電力分配

高速デジタル・アナログの過程で混合回路基板設計電源分配ネットワークは、最初から最後まで徹底的に解析する必要があります。VCC とグラウンドを含み、低ノイズで回路に必要な電力を供給しなければなりません。さらに、主な対象である PCB 上で生成および受信される信号を、対応する信号回路に提供する必要があります。

2). クロストークの問題とEMCの適用

クロストークとは、配線間で生じる冗長な信号結合を指し、容量およびインダクタンスの特性を持つ。容量性クロストークは信号線間の容量結合であり、異なる配線同士が互いに近接すると、クロストーク問題が発生する。誘導性クロストークは冗長なトランスのコイル間での信号結合であり、電流ループの作用によってクロストーク問題が生じる。With the help ofEMC（電磁両立性）あらゆる種類の電気機器およびシステムは、電磁環境の中に存在し得る。ある観点から見ると、回路システムの信号は EMC の影響を受けず、既存の性能や機能も損なわれないが、その結果として周囲の環境に大量の電磁量が生じ、隣接する機器の正常な動作に影響を及ぼす。

高速デジタル・アナログ混在回路PCB設計

EMC を完全に理解したうえで、規則に従う必要があります。PCB 設計では、回路信号がスムーズに伝送でき、大規模なループアンテナの発生を避けるために、電流ループが占める面積を可能な限り小さくする必要があります。さらに、設計の過程では複数のリファレンスプレーンを用いることはできず、信号伝送に影響を及ぼす双極アンテナの形成を避けなければなりません。

・レイアウトとルーティング

間コンポーネントレイアウトアナログ回路とデジタル回路は互いに分離しておく必要があります。デジタル信号を例に取ると、配線はデジタル回路内部で行われます。その結果、デジタル信号がアナログ信号領域に入り込んでアナログ信号に干渉し、信号の正常な伝送に影響を与えることがないようにします。比較的高い周波数の配線については、手動配線が必要となります。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、相互干渉を避けなければなりません。デジタル回路のリードが比較的大きな誘導性リアクタンスを受けたり、アナログラインに容量性結合が生じたりするのを防ぐために、低インピーダンスの電源およびグラウンドネットワークを適用する必要があります。さらに、デジタル回路の周波数が比較的高く、アナログラインの感度が比較的高い場合には、両者の間に一定の距離を保たなければなりません。

・電源ラインおよびグランドライン

設計の過程においては、回路性能を向上させるために、グランドラインを合理的に配線・処理しなければならない。高速デジタル・アナログ混在回路設計を最適化する際には、回路のグランドへのリターンという観点から、その手法を完全に理解しておく必要がある。グランドプレーンを分割する必要がある場合には、間隔を空けた配線を交差させる必要がある。分割されたグランドを接続し、ブリッジを形成するためには、単一点接続が求められる。接続ブリッジを介した配線最適化に基づき、各信号ラインの直下には、直接的な回路リターンパスを配置しなければならない。もちろん、光アイソレーションデバイスを用いて、領域間で信号間隔を分離することもできる。PCB設計の過程では、デジタル回路とアナログ回路を総合的に適用し、実際の問題に効果的に対処するために、回路信号の配線に注意を払う必要がある。高速デジタル・アナログ混在PCBのテスト結果は、設計案を最適化するために十分に解析されるべきであり、EMCは柔軟に適用し、PCBは合理的に設計されなければならない。さらに、混在信号PCBに関しては、独立したデジタル電源とアナログ電源を確保し、分割された電源プレーンを利用して電源面を制御する必要がある。

・ハイブリッドデバイスの処理

一般的に、ハイブリッドデバイスにはすべて水晶発振器があり、デバイス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。設計の過程では、DGND と AGND のピンは同一の低インピーダンス点に接続し、リード線はできるだけ短くして、すべての DGND が確実に導通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はアナロググラウンドプレーンに流れ込みますが、比較的大きな干渉は信号に対して生じず、情報の正常な伝送を確保できます。これに基づき、デジタル回路およびアナログ回路のピンはアナログ電源プレーンに接続し、バイパスコンデンサの近くに配置する必要があります。

役立つリソース:
•ミックスドシグナルレイアウトにおける考慮事項
•PCB高速信号回路設計における3つの配線手法
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