신뢰성 있는 혼합 신호 PCB 레이아웃을 위한 핵심 원칙

인쇄 회로 기판(PCB) 설계에는 아날로그 섹션과 디지털 섹션이 모두 포함되는 경우가 많습니다. 아날로그 섹션은 일반적으로 디지털화를 위해 신호를 컨디셔닝하고, 디지털 섹션은 아날로그 신호를 디지털로 변환한 후 디지털 도메인 신호에 따라 동작합니다. PCB 설계의 이 두 블록을 분리하는 것은 아날로그 회로 무결성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 아날로그 회로는 일반적으로 노이즈 신호에 매우 취약하고 디지털 회로는 일반적으로 전기적으로 매우 노이즈가 많습니다. 이 글은 혼합 신호 레이아웃 문제를 피하기 위한 일반 규칙을 조명하고 아날로그 회로 부분을 디지털 카운터파트로부터 격리하는 최적 접근법을 논의합니다.

배경

간단히 복습하자면, 고속 AC 신호의 리턴 경로에 대해 논의하는 것이 중요합니다. DC 신호의 리턴 경로를 살펴보면 단순히 원래 부품으로 돌아가는 최소 저항 경로가 됩니다. 그러나 AC 신호 리턴 경로는 최소 임피던스 경로를 따릅니다. 이는 AC 신호 리턴 경로 전류가 원래 신호 트레이스 바로 아래 영역에 국한되어 있음을 의미합니다. 이 규칙의 예외는 고속 AC 신호 아래 그라운드 플레인을 끊을 때 발생하는데, 이로 인해 해당 신호의 리턴 전류가 방사 루프를 생성하게 됩니다. 이러한 루프는 방사 노이즈의 소스이자 싱크가 되므로 가능한 한 피해야 합니다. 이 간단한 복습은 EMI(전자파 간섭) 감소의 두 가지 기본 규칙 중 하나를 상기시켜 줍니다: 리턴 경로를 원래 신호 경로에 최대한 가깝게 유지하여 리턴 전류 루프 생성을 방지하세요. EMI 감소의 다른 기본 규칙은 하나의 레퍼런스 플레인만 사용하도록 하는 것입니다. 두 개를 사용하면 PCB가 효과적으로 다이폴 안테나가 됩니다. 이 간단한 복습을 바탕으로 혼합 신호 레이아웃의 구체적인 내용으로 넘어가겠습니다.

혼합 신호 토폴로지

설계자의 첫 번째 성향은 아날로그와 디지털 그라운딩 스킴을 사용하여 보드 아날로그 부분을 디지털 부분에서 단순히 분리하는 것입니다. 이러한 스킴의 문제는 디지털에서 아날로그 측으로 연결이 이루어질 때 보드(앞서 논의한 바와 같이)가 효과적으로 다이폴 안테나가 된다는 것입니다. 이러한 설계는 본질적으로 전기적 노이즈에 취약할 뿐만 아니라 자체적으로도 매우 전기적으로 노이즈가 많습니다.

이 문제에 대한 또 다른 일반적인 접근법은 아날로그와 디지털 그라운드를 단일 지점에서(종종 설계에 사용되는 전원 공급 장치의 네거티브 레일) 단순히 연결하는 것입니다. 하지만 이는 매우 열악한 솔루션입니다. 디지털에서 아날로그 측으로 연결되는 트레이스가 이제 그라운드 연결 지점을 통해 루프 안테나를 형성하여 설계에서 전기적 노이즈를 방출하고 수신하게 됩니다. 또한 보드 독립 그라운드 부분들을 연결하는 트레이스는 효과적으로 다이폴 안테나를 생성합니다. 두 효과 모두 매우 노이즈가 많고 노이즈에 취약한 설계를 만듭니다.

또 다른 일반적(약간 더 효과적인) 혼합 신호 보드 설계 접근법은 아날로그와 디지털 부분이 "브리지(bridge)"로 직접 연결되는 구성입니다. 디지털과 아날로그 그라운드가 이러한 스킴에서 직접 연결되지만, 아날로그에서 디지털 측으로의 모든 연결 트레이스는 아날로그와 디지털 그라운드가 연결된 보드 부분 위로 라우팅됩니다. 이렇게 하면 두 회로 간 고속 AC 신호가 직접 리턴 경로를 가지지만 그라운드 플레인은 여전히 어느 정도 분리됩니다. 이 브리지 유형 구성은 이론적으로 보드 디지털 측이 아날로그 측과 동일한 그라운드 플레인을 가지면서 두 보드 부분이 연속적인 그라운드 플레인을 공유하는 것보다 더 많은 격리를 제공합니다. 이 구성 유형은 일반적으로 잘 작동하는 보드를 만들지만, 왜 처음부터 브리지를 사용해야 할까요? 고속 AC 신호의 리턴 전류는 본질적으로 원래 트레이스에 매우 가깝게 머무르므로, 디지털 신호를 신중하게 라우팅하면 브리지 필요성을 피할 수 있습니다.

혼합 신호 레이아웃을 완료하는 가장 좋고 쉬운 접근법은 회로 기판을 아날로그 파티션과 디지털 파티션으로 단순히 나누는 것입니다. 이 두 파티션은 PCB 전체 구리 붓(pour)으로 구성된 동일한 그라운드 플레인을 공유할 수 있습니다. 고속 디지털 신호를 PCB 아날로그 부분으로 라우팅하지 않음으로써 두 측 간 간섭을 쉽게 피할 수 있습니다.

따라서 이러한 구성 중 어느 것에서든 파티션이 분리되는 분할 라인은 PCB 설계에 사용되는 아날로그-디지털 컨버터의 논리적 위치가 됩니다. 아날로그-디지털 컨버터가 격리된 아날로그와 디지털 그라운드 플레인을 가로지르는 것을 볼 수 있지만, 논의한 바와 같이 보드가 단일 연속 그라운드 플레인을 가지는 디지털과 아날로그 부분 분할 라인을 따라 아날로그-디지털 컨버터를 단순히 배치하는 것이 매우 좋은 솔루션입니다.

마지막으로 보드 아날로그 부분을 디지털 부분에서 격리하는 다른 접근법을 언급할 가치가 있습니다. 광학 아이솔레이터를 사용하여 보드 디지털 부분을 아날로그 측과 광학적으로 결합하는 것은 흔한 일입니다. 이렇게 하면 아날로그와 디지털 부분이 실제로 전기적으로 격리된 고유 그라운드 플레인을 가질 수 있습니다. 이 구성 유형은 보드 두 부분을 트랜스포머로 격리하여 자기적으로 결합시키는 방식에서도 작동합니다. 두 접근법 모두 유효하지만 일반적으로 특수 응용 분야에 사용됩니다.

일반 규칙

혼합 신호 PCB 레이아웃을 위한 일반 규칙 요약:

• 설계의 아날로그와 디지털 부분을 정의하는 것으로 시작하세요.
• PCB를 아날로그와 디지털 부분으로 파티셔닝하세요.
• 디지털 부품과 아날로그 부품이 각 파티션에 할당되도록 하세요.
• 디지털 신호를 보드 아날로그 부분으로 라우팅하지 말고 아날로그 신호를 디지털 부분으로 라우팅하지 마세요.
• 아날로그-디지털 컨버터를 보드 아날로그와 디지털 파티션 분할 라인을 가로지르도록 배치하세요.
• 단일 솔리드 그라운드 플레인 사용이 가장 좋은 결과를 내며, 가장 쉬운 접근법이라는 추가 이점이 있습니다.
• 신호 트레이스가 아날로그에서 디지털 파티션으로 라우팅되어야 한다면, 그것이 보드 그라운드 플레인 전체 위에 위치하도록 하세요.

유용한 참고 자료

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