혼합 신호 레이아웃 고려 사항

종종 인쇄 회로 기판(PCB) 설계에는 아날로그 섹션과 디지털 섹션이 모두 포함됩니다. 아날로그 섹션은 일반적으로 디지털화를 위해 신호를 조절하고 디지털 섹션은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 다음 현재 디지털 도메인 신호에 작용합니다. PCB 설계의 이 두 블록을 분리하는 것은 아날로그 회로의 무결성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 아날로그 회로는 일반적으로 잡음 신호에 매우 민감하고 디지털 회로는 일반적으로 전기적으로 매우 잡음이 있습니다. 이 기사에서는 혼합 신호 레이아웃 문제를 피하기 위한 몇 가지 일반적인 규칙에 대해 설명하고 아날로그 회로 부분을 디지털 상대 부분에서 분리하는 가장 좋은 방법에 대해 논의합니다.

배경

빠른 검토로 고속 AC 신호의 반환 경로를 논의하는 것이 중요합니다. DC 신호의 반환 경로를 검사할 때 해당 경로는 단순히 원래 구성 요소에 대한 저항이 가장 적은 경로입니다. AC 신호 리턴 경로는 임피던스가 가장 낮은 경로를 따릅니다. 이는 AC 신호 반환 경로 전류가 원래 신호 트레이스 아래 영역에 국한된 상태로 유지됨을 의미합니다. 이 규칙의 예외는 고속 AC 신호 아래에서 접지면을 끊을 때 해당 신호에 대한 반환 전류가 방사 루프를 생성하도록 강제한다는 것입니다. 이러한 종류의 루프는 방사 노이즈의 소스이자 싱크이며 가능하면 피해야 합니다. 이 간단한 검토는 EMI(전자기 간섭) 감소의 두 가지 기본 규칙 중 하나를 독자에게 상기시켜야 합니다. 반환 전류 루프 생성을 방지하기 위해 반환 경로를 원래 신호 경로에 최대한 가깝게 유지합니다. EMI 감소의 또 다른 기본 규칙은 하나의 참조 평면만 사용하도록 하는 것입니다. 두 개를 사용하면 PCB가 효과적으로 다이폴 안테나가 됩니다. 이 빠른 검토를 통해 혼합 신호 레이아웃의 세부 사항으로 넘어가겠습니다.

혼합 신호 토폴로지

종종 설계자의 첫 번째 성향은 아날로그 및 디지털 접지 방식을 사용하여 보드의 아날로그 부분을 디지털 부분에서 단순히 분리하는 것입니다. 이러한 방식의 문제는 보드의 디지털 측에서 아날로그 측으로 연결될 때 보드(이전 섹션에서 논의한 바와 같이)가 사실상 다이폴 안테나가 된다는 것입니다. 그러한 설계는 본질적으로 전기 노이즈에 민감할 뿐만 아니라 그 자체로도 매우 전기 노이즈가 많습니다.

이 문제에 대한 또 다른 일반적인 접근 방식은 아날로그 및 디지털 접지를 단일 지점에서 함께 연결하는 것입니다(설계에 사용되는 전원 공급 장치의 네거티브 레일). 디지털을 보드의 아날로그 측에 연결하는 모든 트레이스가 이제 접지 연결 지점을 통해 루프 안테나를 형성하므로 설계에서 방사되고 설계 전기 노이즈를 수신하므로 이것은 매우 열악한 솔루션입니다. 또한 보드의 독립적인 접지 부분을 함께 연결하는 트레이스는 다이폴 안테나를 효과적으로 생성합니다. 두 효과 모두 매우 시끄럽고 노이즈에 민감한 디자인을 생성합니다.

혼합 신호 보드를 설계하는 또 다른 일반적인(약간 더 효과적이기는 하지만) 접근 방식은 보드의 아날로그 부분과 디지털 부분이 "브리지"를 통해 서로 직접 연결되는 구성입니다. 디지털 및 아날로그 접지는 이러한 방식으로 서로 직접 연결되지만 아날로그에서 보드의 디지털 측으로의 모든 연결 트레이스는 아날로그 및 디지털 접지가 연결된 보드 부분 위로 라우팅됩니다. 이러한 방식으로 두 회로 사이를 이동하는 고속 AC 신호는 직접 복귀 경로를 갖지만 접지면은 여전히 ​​다소 분리됩니다. 이 브리지 유형 구성은 이론적으로 보드의 디지털 측이 보드의 아날로그 측과 동일한 접지 평면을 갖도록 허용하지만 단순히 보드의 두 부분이 연속 접지 평면을 공유하는 것보다 약간 더 격리됩니다. 이러한 유형의 구성은 일반적으로 성능이 좋은 보드를 생성하지만 처음에 브리지를 사용하는 이유는 무엇입니까? 고속 AC 신호의 반환 전류는 본질적으로 원래 트레이스에 매우 가깝게 유지되므로 디지털 신호를 주의 깊게 라우팅하면 브리지가 필요하지 않습니다.

혼합 신호 레이아웃을 완성하는 가장 쉽고 쉬운 방법은 회로 기판을 아날로그 파티션과 디지털 파티션으로 나누는 것입니다. 이 두 파티션은 동일한 접지면을 공유할 수 있으며, 이 접지면은 PCB 와이드 구리 주입으로 구성됩니다. 그러면 고속 디지털 신호를 PCB의 아날로그 부분으로 라우팅하지 않음으로써 양측 간의 간섭을 쉽게 피할 수 있습니다.

이러한 구성에서 파티션이 분리되는 분할선은 PCB 설계에 사용되는 아날로그-디지털 변환기 또는 변환기의 논리적 위치가 됩니다. 아날로그-디지털 변환기가 절연된 아날로그 및 디지털 접지면에 걸쳐 있는 것을 보는 것은 드문 일이 아니지만 논의된 바와 같이 매우 좋은 솔루션은 보드의 디지털 및 아날로그 부분의 구분선을 따라 아날로그-디지털 변환기를 간단히 배치하는 것입니다. 여기서 보드에는 하나의 연속 접지면이 있습니다.

마지막으로 보드의 디지털 부분에서 아날로그를 분리하는 다른 접근 방식을 언급할 가치가 있습니다. 광학 절연체를 사용하여 보드의 디지털 부분을 아날로그 측과 광학적으로 연결하는 것은 드문 일이 아닙니다. 이러한 방식으로 보드의 아날로그 및 디지털 부분은 실제로 자체적으로 전기적으로 절연된 접지면을 가질 수 있습니다. 이러한 종류의 구성은 또한 변압기를 사용하여 PCB의 두 부분을 절연함으로써 작동합니다. 여기서 보드의 두 면은 자기적으로 결합됩니다. 두 접근 방식 모두 유효하지만 일반적으로 특수 응용 프로그램에 사용됩니다.

일반 규칙

다음은 혼합 신호 PCB 레이아웃에 대한 일반 규칙의 요약입니다.
• 설계의 아날로그 및 디지털 부분을 정의하는 것으로 시작합니다.
• PCB를 아날로그 및 디지털 부분으로 분할합니다.
• 디지털 구성 요소와 아날로그 구성 요소가 각각의 파티션에 할당되어 있는지 확인하십시오.
• 보드의 아날로그 부분을 통해 디지털 신호를 라우팅하거나 보드의 디지털 부분을 통해 아날로그 신호를 라우팅하지 마십시오.
• 보드의 아날로그 파티션과 디지털 파티션 사이의 구분선에 걸쳐 있는 방식으로 아날로그-디지털 변환기를 배치합니다.
• 단일 솔리드 접지면을 사용하면 최상의 결과를 얻을 수 있으며 다음과 같은 이점이 추가됩니다. 가장 쉬운 방법입니다.
• 신호 트레이스가 아날로그에서 디지털 파티션으로 라우팅되어야 하는 경우 보드의 접지면 전체에 위치하는지 확인하십시오.

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