適切なPCBグラウンディング設計で混合信号EMIを低減します

混合信号グラウンディングのいくつかのオプション

混合信号PCBには、特に設計された接地ソリューションが必要になることがよくありますが、それでもいくつかの「ベストプラクティス」があなたを一定の距離まで導くことができます。PCBの接地設計では、一般的にシステムで使用したい3つのオプションがあります：

• バス線：混合信号システム用のほとんどのPCBでは、バス線は良い解決策ではありません。しかし、これは通常、新しい設計者が接地を定義し、接続を行うためにデフォルトで選択するオプションです。バス線のリターン電流インピーダンスはシステムの周波数で非常に大きくなることがあり、非常に大きなループインダクタンスを作り出し、高周波ノイズを容易に受け取ります。
• 接地グリッド：接地グリッドは、完全なPCBグラウンドプレーンのスペースがなく、バス線に関連する電圧降下や大きなリターンパスのインダクタンスを受け入れることができない2層PCBで時々使用されます。グリッドは四角いメッシュである必要はありませんが、できるだけ多くの面積を持つべきです。面積が大きいほど、グリッドのインピーダンスが減少し、トレース/ビアの接続が増え、それによって電流のリターンパスが短くなります。
• グラウンドプレーン：通常、PCBでのグラウンディングに最適な解決策は、完全なグラウンドプレーンを使用することです。これは、複数の信号層を含む設計を行う場合、最小限で4層基板が必要になることを意味します。

これらはいずれも回路図で定義されておらず、すべてのコンポーネントの周りの白いスペースに存在し、PCBレイアウトに取り掛かる際に、グラウンディング戦略をどのように実装するかを決定する必要があります。

実際のグラウンディングは回路図上のように簡単ではありません。

何をすべきか不確かな場合、たとえば2層基板の場合、一般的に設計内で最も追跡しやすい電流戻り経路を提供するため、均一なグラウンドプレーンを使用するのが最善です。さらに、完全なグラウンドプレーンはグラウンドグリッドよりもEMIシールドが多くなります。グリッドと同様に、集積回路（IC）をPCBグラウンドプレーンに接続する際には、電流戻り経路が交差しないように注意する必要があります。よくあるように、「より良い」解決策ほどコストがかかります。クエーカーのように倹約家であれば、バス線またはグラウンディンググリッドを使用する際のインピーダンスを計算することが価値があるかもしれません。

異なる周波数でのPCBグラウンディング

上記の点を念頭に置いて、異なるタイプのボードと周波数で何をすべきか？以下の表は、異なる周波数範囲で使用できる戦略のいくつかをまとめたものです。異なるタイプの信号を考慮していないことに注意してください。

これらの異なるタイプのPCBグラウンディング設計では、グラウンドプレーンが最も普遍的な解決策であることがわかります。大きなグラウンドレールも、ネットへの簡単な接続を提供できる限り、複数の周波数に対してグラウンドを提供することが受け入れられます。異なるタイプの信号が同じコンポーネントと相互作用する必要がない限り、レールを使用したスターグラウンド戦略も使用できることに注意してください。大きなスターグラウンディングは非常に低いインダクタンスのグラウンド接続を可能にしますが、干渉を防ぐために混合信号ICを非常に慎重に配置する必要があります（下記参照）。

• PCBでのグラウンディング戦略とスターグラウンドについてもっと学ぶ

一部の混合信号設計では、アナログ回路とデジタル回路を分離し、EMIを減少させるために2つの別々のグラウンディングプレーンを使用することがあります。しかし、より一般的なシステムでは、2つのグラウンディングプレーンを統合するか、または1つのPCBグラウンドプレーンを使用することができます。

これらのPCBグラウンド設計戦略を実装する目的は、ACおよびDCのリターン電流経路が交差するのを防ぎ、これによりクロストークが発生することを防ぐことです。これは、信号層に隣接するソリッドグラウンドプレーンを使用し、すべてのグラウンドプレーンを同じ基準電位に結びつけるビアで接続することで最も簡単です。グラウンドプレーンにギャップがある場合、たとえばカットアウトの近くやPWR/GNDが同じ層に混在している場合、これらのギャップの上をトレースを走らせないでください。なぜなら、ギャップはアンテナのように機能するからです。

ミックスシグナルICの実用的なヒント

上述のように、ミックスシグナルICはPCBグラウンド設計に複雑さをもたらすことがあり、これらのコンポーネントのアプリケーションノートは新たなノイズを生み出す悪い実践を推奨することがあります。これらの異なる組み合わせは異なる解決策を必要とするので、ミックスシグナルICを扱う際のいくつかのヒントをここに示します。

単一のミックスシグナルICを持つPCB

オーディオ回路の設計経験がある方であれば、スターグラウンドについて聞いたことがあるかもしれません。1つの混合信号ICのみを搭載したPCBを設計する場合、スターグラウンドは素晴らしい解決策となり得ます。スターグラウンドは、全体のプレーン層ではなく、単一の点を参照点として使用します。ADC/DACやその他の一部の混合信号チップについては、メーカーは通常、AGNDとDGNDのピンをチップの外側で接続することを推奨しています。この接続は、スターグラウンドを形成するパッチを用いるか、直接グラウンドプレーンに実装することが最適です。1つの混合信号ICを使用して2つの別々のグラウンドプレーンを使用する場合、その点で2つのシャーシグラウンドプレーンを結合することもできます。

複数の混合信号ICを搭載したPCB

あなたのプリント基板が複数の混合信号ICを使用している場合、スターグラウンドはおそらく非現実的です。これは、各ICのAGNDとDGNDを、それぞれのICケースのすぐ外側で、全て正確に同じ点で結合する必要があるため、単純に非現実的であり、最良の実践はすべてのものに単一のグラウンドプレーンを使用することです。これらのICが異なる周波数で動作している場合にのみ、隔離を助けるためにギャップを追加することを検討し、その場合でもこれらのギャップを越えてルーティングしないという上記のルールに従うべきです。

混合信号システムのグラウンドは、EMIとクロストークを減らすためにリターンパスをチェックする必要があるため、慎重なレイアウト計画が必要です。混合信号ボード設計にPCBグラウンディング設計を実装する準備ができたら、Altium Designer^®の包括的なCADユーティリティセットを使用してください。製造データを製造業者にリリースする準備ができたら、Altium 365^™プラットフォームを通じて簡単に設計を共有および協力することができます。高度な電子機器を設計および生産するために必要なすべてが1つのソフトウェアパッケージに含まれています。

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