ミックスドシグナルレイアウトにおける考慮事項

多くの場合、プリント基板（PCB）の設計には、アナログ部とデジタル部の両方が含まれます。アナログ部は通常、信号をデジタル化するために信号を調整し、デジタル部はアナログ信号をデジタル信号に変換し、その後デジタル領域の信号として処理します。これら2つのブロックを分離することはPCB設計アナログ回路の完全性を確保するうえで非常に重要です。アナログ回路は一般的にノイズ信号に対して非常に敏感であり、デジタル回路は一般的に電気的なノイズが多い傾向にあります。本記事では、混在信号レイアウトにおける問題を回避するための一般的なルールをいくつか明らかにし、アナログ回路部分をデジタル回路部分から分離するための最良のアプローチについて論じます。

背景

手短な復習として、高速交流信号のリターンパスについて議論することは重要である。直流信号のリターンパスを検討する場合、その経路は単純に、元のコンポーネントへ戻るための最小抵抗経路となる。一方、交流信号のリターンパスは最小インピーダンスの経路に従う。これは、交流信号のリターンパス電流が、その信号トレース直下の領域に局在したままであることを意味する。このルールの例外は、高速交流信号の直下にあるグラウンドプレーンを分断した場合であり、その場合、当該信号のリターン電流は放射ループを形成せざるを得なくなる。この種のループは、放射ノイズの発生源であり、かつ吸収源でもあるため、可能な限り避けなければならない。この簡単な復習は、EMI の二つの基本ルールのうち一つを読者に思い出させるものである（電磁干渉) 低減：リターンパスは、発生元となる信号パスにできるだけ近づけて配置し、リターン電流ループが形成されないようにします。EMI 低減のもう一つの基本ルールは、基準プレーンを必ず 1 つだけ使用することを確認することです。2 つ使用すると、PCB は事実上ダイポールアンテナになってしまいます。この簡単な復習を踏まえて、ミックスドシグナルレイアウトの具体的な内容に進みましょう。

ミックスドシグナルトポロジー

多くの場合、設計者の最初の発想は、アナログ用とデジタル用のグラウンディング方式を用いて、基板のアナログ部分とデジタル部分を単純に分離することです。 しかし、そのような方式では、デジタル側からアナログ側へ接続が行われると（前のセクションで述べたように）、基板は事実上ダイポールアンテナになってしまいます。 このような設計はすべて、本質的に電気的ノイズの影響を受けやすく、同様に自らも非常に電気的ノイズを発生しやすいものとなります。

この問題に対するもう一つの一般的なアプローチは、アナロググラウンドとデジタルグラウンドを単一のポイントで単純に接続してしまうことです（多くの場合、設計で使用している電源の負電源レールがそのポイントとして用いられます）。しかしこれは非常に悪い解決策です。というのも、基板上でデジタル側とアナログ側を接続する任意の配線は、グラウンド接続点を通るループアンテナを形成し、設計から電磁波を放射すると同時に、設計内部に電気的ノイズを受信してしまうからです。さらに、基板上の独立したグラウンド部分同士を接続する配線は、事実上ダイポールアンテナを形成してしまいます。これら両方の効果によって、非常にノイズが多く、ノイズに弱い設計になってしまいます。

もう一つの一般的な（やや効果的ではあるが）混載信号基板の設計手法として、「ブリッジ」によって基板上のアナログ部とデジタル部を直接接続する構成がある。この方式では、デジタルグラウンドとアナロググラウンドは直接接続されているが、基板のアナログ側からデジタル側へとつながるすべての配線は、アナロググラウンドとデジタルグラウンドが接続されている基板部分の上を通るように配線される。このようにすることで、2つの回路間を行き来する高速 AC 信号は直接的なリターンパスを持つことができる一方で、グラウンドプレーンはある程度分離された状態を保つことができる。このブリッジ型の構成は、理論上、基板のデジタル側にアナログ側と同一のグラウンドプレーンを持たせつつ、単に基板の2つの領域が連続したグラウンドプレーンを共有する場合よりも、いくらか高いアイソレーションを実現できる。この種の構成は、一般的に性能の良い基板を実現できるが、そもそもなぜブリッジを使う必要があるのだろうか。高速 AC 信号のリターン電流は、本質的にその元となる配線のすぐ近くを流れるため、デジタル信号を注意深く配線することで、ブリッジの必要性を回避することができる。

ミックスドシグナルレイアウトを完成させるための最良かつ最も簡単な方法は、単純にそのレイアウトを分割することである回路基板アナログ領域とデジタル領域に分割します。これら二つの領域は、PCB 全体に広がる銅箔プレーンで構成された同一のグラウンドプレーンを共有することができます。その後、高速デジタル信号を PCB のアナログ部分上に配線しないようにすることで、両者間の干渉を容易に回避できます。

したがって、これらのいずれの構成においても、パーティションが分割される境界線上が、PCB 設計で使用されるアナログ‐デジタルコンバータ（または複数のコンバータ）の論理的な配置場所となる。アナログ‐デジタルコンバータが、分離されたアナログおよびデジタルのグラウンドプレーンにまたがって配置されている例は珍しくないが、前述のとおり、非常に優れた解決策は、ボード上に単一で連続したグラウンドプレーンが存在する状態で、ボードのデジタル部とアナログ部の分割線に沿ってアナログ‐デジタルコンバータを単純に配置することである。

最後に、ボード上のアナログ部とデジタル部を分離するための、他の手法についても触れておく価値があります。ボードのデジタル部とアナログ側を、光アイソレータを用いて光学的に結合することは、決して珍しいことではありません。この方法では、ボードのアナログ部とデジタル部は、それぞれ電気的に分離されたグラウンドプレーンを持つことが実際に可能になります。この種の構成は、トランスを用いてプリント基板の2つの部分を分離し、ボードの両側を磁気的に結合することによっても機能します。どちらのアプローチも有効ではありますが、通常は特殊な用途に限って用いられます。

一般規則