デュアルADCモジュールPCB設計プロジェクト

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もしボードにADCが含まれている場合、そのボードは混合信号システムとして分類され、アナログライン上の過剰なノイズを防ぐために特定のレイアウト実践が必要になります。ADCは通常、絶縁されていないコンポーネントですが、アナログ側とデジタル側の間にガルバニック絶縁を提供する絶縁型のバリエーションもあります。

このプロジェクトでは、同じPCBレイアウト内で両タイプのADCを使用する設計例を示します。これらのコンポーネントは異なるレイアウト実践を要求しますが、良い比較を提供するために同じボード上でそれらを実装します。

私たちのプロジェクトでは常にそうであるように、この記事の最後にはこのプロジェクトのソースファイルをダウンロードするためのリンクがあります。これらのタイプのコンポーネントを使用する方法をさらに学び、レイアウトプロセス全体に沿って進むには、以下のプレイリストをご覧ください。

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ADCモジュールの開始

このプロジェクトで紹介するADCモジュールは、2つの信号を収集し、データをピンヘッダーに渡すことを目的としています。これにより、マイクロコントローラーモジュールのような外部ボードに接続できます。モジュールには、以下の主要コンポーネントセットが含まれます：

• ISL75051ASEHVFE - 放射線耐性のある5Vから3V3電源レギュレータモジュール
• ADC128S102CIMTX - 8チャンネル、0.5から1 MSpsの12ビットADC
• AMC1203BPSA - 単一チャンネル40 kSpsの8ビットシグマデルタ絶縁電流センシングADC

収集される信号は、その低いサンプルレートによって示されるように、低周波数であることが意図されています。どちらのADCも低インピーダンス源を前提としているため、インピーダンスバッファを持つアクティブフィルターは必要なく、希望すれば直接ADCの入力に接続できます。最後に、Intersilのコンポーネントに精通している人なら、ISL75051ASEHVFEが放射線耐性のあるレギュレータであることを知っているでしょう。このモジュールは、他の2つのコンポーネントが航空宇宙資格を得られる限り、宇宙システムで使用できます。

絶縁および非絶縁ADCの回路図

以下の画像は、このモジュールの主要な2つの部分、つまり絶縁および非絶縁ADCの回路図を示しています。残りのコンポーネントと回路は、プロジェクトファイルで確認できます。

回路図はシンプルです。全ての回路に必要なのは1ページだけです。分離された側からの電源入力が1つ（SMAを通して）あり、非分離側からの電源入力がもう1つ（ピンヘッダーを通して）あります。

まず、下に示されているように、分離されたADC（AMC1203BPSA）の回路図を見てください。

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このコンポーネントのアナログ基準は内部で設定されるため、測定範囲を設定するための精密な基準チップは必要ありません。分離されたADCは、データシートに基づいて+5Vの2つの異なる電源ネット（+5Vと+5V_AN）を必要とすることに注意してください。これらは異なる供給元から来なければならず、このコンポーネントの絶縁ギャップを通じて絶縁が維持されるようにする必要があります。J1とJ3は、入ってくるアナログ信号とADCのアナログ側の入力電源のためのコネクタです。

入ってくる信号を適切に遮蔽するために、分離されたADCと非分離されたADCへの信号は、垂直SMAコネクタ（Molexの73251-1350）を使用した同軸ケーブルを介して提供されます。これらのコネクタと付属の同軸ケーブルは50オームのインピーダンスを持ちますが、入力信号は十分に低いため、システム内のソースと負荷の間にのみ顕著な相互作用が存在します。

次に、標準ADCの回路を見てください。

この回路では、レギュレータ（3V3ネット）によって電力が供給され、そのレギュレータはピンヘッダーからの+5V接続から電力を受け取ります。SPI出力は、オフボードへの信号ルーティング前にエッジレートをわずかに遅くするために抵抗を使用します。また、VAピンとVDピンのデカップリング/バイパス用に特にコンデンサが配置されています。

上記の回路図にはいくつかの仮定があります：

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• +5V_ANネットはこのボードで高電流を必要とすることはないため、SMA +同軸ケーブルを電源に使用することが適切です。これを超える高電圧/電流には異なるコンポーネントが必要になります。
• 入力信号の帯域幅は、各ADCのサンプリングレートによってのみ制限されます。低帯域幅が必要な場合は、ローパスRCフィルタを追加し、アンチエイリアシングのために最大サンプルレートで実行します。
• ピンヘッダー上の+5V接続は、規制されており比較的ノイズが少ないと仮定されます。規制されていない場合は、入力に+5Vレギュレータが必要になります。
• U2のVAピンとVDピンは、U2がそのSPIインターフェースのために高速デジタルエッジを引く唯一のコンポーネントであるため、分離されていません。3V3バス上に他のコンポーネントがあれば、VAピンへの電力を1MHz近くでバンドリミットすることを確実に検討したいところです。

これらのポイントをクリアにした上で、スタックアップに進むことができます。私たちのスタックアップは、2つの比較的高速なデジタルインターフェース（各ADC用に1つずつ）と、ADCへの2つの別々のフィードラインをサポートする必要があります。

フロアプランニングとPCBスタックアップ

このボードには隔離されたコンポーネントが含まれているため、隔離領域を可能にする特定のフロアプランが必要です。このボードのすべてを単一のレイヤーで行うことができますが、アナログセクションとデジタルセクションの間の誘導結合を防ぐためにはグラウンドが必要です。これには内部グラウンドプレーンが必要です。したがって、内部GNDを備えたシンプルな4層PCBスタックアップを使用できます。

最終的なスタックアップは以下の通りです。このスタックアップでは、SIG+PWR/GND/GND/SIGスタックアップを使用しており、コンポーネントは上側に配置され、下側は必要に応じて追加のルーティングに使用できます。

このスタックアップでは、制御されたインピーダンス要件がないため、Dk値はそれほど重要ではありません。ここで重要な点は、薄い外層とL2およびL3のGNDです。隣接するグラウンドを持つ薄い外層は、私が寄生抽出に関する別の記事で指摘したように、ノイズを抑制するための鍵です。

次に、分離されたセクションを独自のエリアに配置し、そのSMAコネクタが電力と信号を提供する必要があります。私はこれをボードの左側に分離し、残りのコンポーネントは右側に配置されます。初期配置は以下の通りです。

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初期配置では、ボードの左側にすべてのアナログセクションを並べ、レギュレータとI/Oラインは主にバックレイヤーを通じて直接右側にルーティングされます。これは、デジタルラインとアナログフィードライン間のノイズカップリングを最小限に抑えるための典型的な戦略です。分離バリアはU3の下に垂直に走るので、必要な分離を維持するためにGNDとAGNDにグラウンドネットを分割する場所です。

この分割を行うために、PCBの全4層を通る小さな銅のプアリージョンを実装しました。この領域はJ1とJ3にAGND接続を提供し、レイヤーはステッチングビアで接続されます。

SMAパッドの熱接続は、設計ルールを変更することで取り除かれます。非絶縁セクションでも同様の戦略を使用していますが、L2上のプアがADC接続全体の下を走るという点が異なります。また、そのセクションにステッチングビアを追加してノイズ抑制を行います。この点を完了すると、残りの接続をルーティングできるようになります。

ここで注目したい点は、キャパシタの配置です。デジタルコンポーネントの場合と同様に、アナログ電源ピンに電力を供給するキャパシタは、それらのピンに近い場所に配置することが重要です。このようにすることで、アナログサブシステムはサンプリング間隔内で十分な電力を引き出すことができ、内部リファレンスに対して最小限のドロップアウトが発生します。下に示す例があります。具体的には、デジタル供給用にC18とC19を、アナログ側にはC16とC17を配置しました。

ルーティングとレイアウトの最終化

コンポーネントの配置を変更した後、大型のコンデンサ（C9およびC13）を基板の中央に近い位置に移動することができました。これにより、コンポーネントや配線がない大きな空き領域ができないように、基板のサイズを多少縮小することができます。そして、L2とL3では、スタックアップ内の銅の分布をほぼ対称に保つために、至る所にグラウンドを走らせています。最終的な配線は、ステッチングビアを含めて以下に示されています。

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このビューでは、+5Vの入力と+3V3の出力が大きなポリゴンとして配線されているのが見えますが、トップレイヤーの他のポリゴンはGNDまたはAGNDです。すべてのデジタル信号は、L1のADCに接続する必要がある箇所を除き、ボトムレイヤーに配線されています。

最終的なPCBレイアウトの3Dビューは、以下の画像に示されています。通常通り、いくつかのロゴや、ピンヘッダーのピンアウトに関するシルクスクリーンの凡例があります。左側に配置されたSMAは、すべてのレイヤーでそのグラウンド領域を結びつけ、その基板の部分への漂遊RF干渉の伝播を防ぐためにステッチングビアが配置されています。これらのラインは特定のインピーダンスに設計されておらず、ここでの仮定は、入力信号がそのように低い周波数であるため、フィードラインは電気的に短いということです。

このモジュールに何を追加できるでしょうか？

上記の設計は、外部のマイクロコントローラーモジュールとインターフェースし、ピンヘッダーを介してデータを収集および処理することを目的としています。このボードの開発を続けるには、マイクロコントローラーがADCからの出力によって提供されるデータを受け入れるバックレイヤーにデジタルセクションとマイクロコントローラーを配置することができます。小型のマイクロコントローラーであるPIC（Microchip製）やより小型のSTM32（STマイクロエレクトロニクス製）がこのモジュールに適しています。

現在の設計は、低いソースインピーダンスを想定しており、デバイスが収集する信号の帯域幅を制限するためのフィルタリングがありません。これは、ナイキストサンプリングレートに基づいてサンプルレートによってすでに制限されていますが、低周波数の信号はオーバーサンプリングされ、RCアンチエイリアシングフィルターを通してさらにノイズを減らすことができます。

バックレイヤーにマイクロコントローラを使用する場合、コンピュータなどの別のデバイスにデータを送信するための出力インターフェースが必要になることがあります。これはUARTインターフェースを介して、または直接USBを介して行うことができます。UARTオプションは、2ピンヘッダーにルーティングされ、その後、目的のデバイスに接続されるために便利です。多くのマイクロコントローラにUARTオプションがあるため、次に紹介するプロジェクトは、ここで説明したようにマイクロコントローラからデータを受け入れることができるUARTからUSBへのコンバーターモジュールになります。

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