混合信号PCBにおけるDC感知リターン電流

高速PCB設計の一般的なルールの一つは、信号のリターン電流パスを追跡することです。これは実際には聞こえるほど難しくはなく、高速デジタル信号や中程度の周波数のアナログ信号のリターンパスは、かなりの程度、トレースの直下に限定されます。非常に低い周波数やDCでは、リターンパスは技術的にどこにでも存在する可能性があり、これがオーディオ設計、低周波センサーインターフェース設計、純粋なDCシステムで見られる代替ルーティング実践につながります。グラウンドプレーンはEMIシールドの面で利点を提供しますが、トレースの直下にリターンパスを直接限定するわけではありません。

低周波数またはDCで動作するデバイスもあり、これらのデバイスも回路を完成させるため、リターンパスがあります。したがって、これらのデバイスの一つを使用する必要があり、デバイスのSNR値が低いと仮定すると、リターンパスループがノイズに対する感受性を生み出さないようにするにはどうすればよいでしょうか？

ここでは、非常に低い周波数の信号やDC信号を測定する必要があるが、電流ループをタイトに保つためにリターンパスを追跡する必要がある、このようなコンポーネントを扱う方法をいくつか示したいと思います。以下で具体的なケースを検討します。

DCリターンパスはどこにあるのか？

私自身を含む多くの人々が、以下に示すような図を示してきました。これは、トレースに沿ったACリターンパスと同じトレースのDCリターンパスの違いを示すことを意図しています。物理学に深く入ることなく、ACリターンパスは最小インピーダンスのパスであり、DCリターンパスは最小抵抗のパスであることがよく知られているとだけ述べます。

このリターンパスの図は2019年に作成しました。平面内で流れるDC電流に何が起こるかを概念的に説明するためです。この記事でさらに学ぶ。

この小さな情報を踏まえて、特定の状況でDCリターン電流をどこに保ちたいかについて考えてみましょう。DCリターンパスは、単端インターフェースを想定している場合、入力トレースの下を含むどこにでもある可能性があることが明らかであるべきです。この事実、およびコンポーネントへの導体インターフェースは、DCリターンパスをどのように限定できるか、そして低周波数で低ノイズを達成できるかを決定します。アナログコンポーネントやセンサーでこれがどのように機能するかを見るために、いくつかの例を見てみましょう。

差動インターフェースを持つセンサー

差動インターフェースは、高速信号を運ぶ差動ペアのためだけに構築されたものではありません。低周波数またはアナログインターフェースも差動的であることがあります。この場合、低周波数またはDC信号の読み出しは同じ方法で機能します：信号の電圧は、2つの導体間の電位差として取られます。これらのコンポーネントの例には以下が含まれます：

• RTDセンサー
• 圧力センサー
• 差動アンプの出力
• 位置センサー

合成においても同様の考え方が適用され、設計ではDACまたは可変DCソースを使用して電圧を生成し、その後差動出力を持つアンプ/ドライバーを通して送信します。いずれの場合も、このDC接続で受信するノイズを決定する要因は同じです。

この記事で示された3つのケースの中で、これはおそらく最も簡単です。その理由は非常にシンプルです：差動ペアをルーティングしているからで、この場合ペアは地面の上をルーティングするべきです。DCでは、この差動ペアはインターフェースの負の極性部分にリターン電流を完全に閉じ込めます。スイッチングがないため、近くのグラウンドプレーンに変位電流は発生せず、その部分のリターン電流を追跡する必要はありません。ここでは標準の差動ペアルーティングルールが適用されますが、長さのチューニングを除きます。

差動アンプと差動ADCインターフェース。DC信号では、各トレースが他のトレースの補完的なリターンパスを提供します。この画像はTexas InstrumentsのTHS770006を示していますが、DCセンサーインターフェースには他の差動コンポーネントを使用できます。

共通グラウンドを持つ2線式センサーインターフェース

最近私が精密モーションコントロールプロジェクトで取り組んだ例では、位相がずれた正弦波形を運ぶ一対のワイヤーが関与していました。アナログフロントエンドは、これら2本のワイヤーと参照オシレーター信号との間の差を測定し、非常に正確に小型モーターの位置を特定するために位相差を抽出します。

この場合、共通のグラウンドを持つ2本の別々のワイヤーがあるため、真の差動インターフェースはありません。共通のグラウンドがリターン電流を運び、各ワイヤーが信号の一部を運びます。SNR値が低い場合、リターン電流を持つグラウンド領域は、他のすべてのグラウンド領域から隔離されるべきです。これを行う一つの方法は、センサーインターフェースの周りに小さなグラウンドの不連続を持つことです。

この2線式インターフェースは、真の差動ペアを必要とせずにノイズ制御を提供する簡単な方法を提供します。

場合によっては、アナログフロントエンドに差動DCワイヤーのグループが入ってくるという選択肢もあります。下の画像では、Dサブコネクタからのモーターリゾルバからの入力を示しています。左右の差動ペアは個別に検出され、その後、それらの差を使用してモーター位置を決定します。対応するワイヤーにリターンパスが存在するため、グラウンドカットアウトは必要ありません。

グラウンド層の銅を一部カットアウトすることで、DCリターン電流が存在できる場所を制御しています。ここでの制約は、分割された領域の他のレイヤーにはルーティングできないということです。これは、信号を運ぶトレースがカットアウト領域を越えてルーティングされる場合、放射される電磁波の問題を引き起こす可能性があります。これを実現する簡単な方法は、すべてのレイヤーに重なるキープアウトを定義し、2線式インターフェースの周囲の領域に銅を配置できないようにすることです。

共通の電源とグラウンドを持つインターフェース

このタイプのインターフェースでは、電源とグラウンドがPCBと外部デバイスで共有されます。ここには2つのケースがあります：

• 外部デバイスが電源と信号をPCBに供給する
• PCBが外部デバイスに電源を供給し、デバイスがPCBに信号を供給する

最初のケースは、電源のリターンポイントが直接外部デバイスにあるため、扱いやすいです。この場合の管理は、コネクタ上で信号と電源が共有されると、DCリターンパスがDC/低周波信号と同じ場所に配置されるため、最も簡単です。低レベル信号のリターン電流はケーブル/コネクタに限定され、これにより他の信号がクロストークを誘発するのを避けることができます。

2番目のケースはより一般的で複雑です。完全な回路ループは、DCインターフェースの電源レギュレータまで広がります。したがって、リターンパスは非常に予測不可能になり、センサーインターフェースに電源をより近づけることが求められるかもしれません。これができれば、望ましいDC/低周波信号のみが存在し、ノイズに対して強固な領域を設計内に作成することが可能です。

これらの小型超音波センサーボードは、ホストPCBから電源を取り、同じインターフェースを介して信号を送信します。これにより、信号がノイズを受け取る機会が生まれるかもしれません。

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