アナログ回路

アナログ・デバイセズ株式会社　石井　聡

2011.04.21

複数の基板を使用するシステム（マルチカード・システム）におけるミックスド・シグナル回路では、グラウンド設計が大きな問題になることがあります。今回はこの問題に言及してみましょう。


■マルチカード・システムはいろいろな基板が異なる組合せで挿入される
VMEバスのようなカード・スロットとかカード・ラックと呼ばれる、ひとつのラックに異なる種類、かつ挿入されるカード基板の数量がまちまちとなるマルチカード・システムを、ミックスド・シグナルとして設計することが結構あります。
この問題は一見すると、単一プリント基板の場合と同じように、グラウンド・ノイズを最小にすべき箇所に、大きなグラウンド電流が流れないよう適切に、サブ・システム単位で配置すればよいと思われます。しかしマルチカード・システムでは、個々のカード基板のグラウンド同士を相互に接続しなければなりません。これには4つの問題があります。

1. 1枚のカード基板自体の物理的レイアウトの自由度が制限され、フレキシブルにレイアウトできない
2. 異なる多種のカード基板を任意に複数枚挿入できる方式であり、簡単に再構成可能になっている。そのためどんなシステムが実現されるかを事前に予測し、そのすべてにおいてノイズの問題を生じなくすることは不可能
3. 単一プリント基板と比べて、マルチカード・システムはグラウンド電流が大きくなる可能性がある
4. カード基板ごとに複数のグラウンド・ピンを使用していても、マザー・ボード上のカード・スロット・コネクタの寄生抵抗と寄生インダクタンスが「高めのインピーダンス経路」となり、さらにグラウンド電流はここを流れなければならない

■と言っても「基本的な物理的原理」は当てはまる
このように問題が多そうなことは明白です。とはいえこの場合でも、基本的な物理的原理を当てはめることができます。グラウンド・インピーダンスをできるだけ低くし、高レベルの信号と低レベルの信号が互いに干渉しないように分離し、寄生容量と寄生相互インダクタンスによる結合を避けるようにすることです。
それでもなお、カード基板間で高精度信号を高速に伝送する際には、信号の劣化を許容できないケースも多々あり、十分に注意しなければなりません。たとえばビデオ信号などが一例と言えるでしょう。
ここでのポイントを図9-1にまとめます。

図9-1 ミックスド・シグナル・マルチカード・システムでのグラウンド設計の問題

■グラウンド・プレーン層のある多層マザー・ボードを用意するとよい
マルチカード・システムにおいて、グラウンド・インピーダンスを最小限に抑える方法は、多層マザー・ボード基板をバックプレーンに使用することです。そしてそのマザー・ボード基板上に、グラウンド・プレーン層を1つ（あるいは、アナログ用とデジタル用のそれぞれの層として2つ）用意します。基板コネクタに複数のグラウンド・ピンを割り振れば、このレイアウトで優れた性能を実現できます。
複数のカード・ラックが使われている場合には、複数のマザー・ボード間のグラウンド・プレーン同士をきちんと接続し、さらに（場合によっては）複数のカード・ラックを保持する金属シャーシ同士もきちんと接続したほうがよいでしょう。
なお正しい結線レイアウトは、システム全体の構成に依存しますので（カード基板が複数任意に挿入されるという、ややこしさがありますから）、それを「よく見きって」対策を考えることが必要です。


■グラウンド・ピン同士を一緒にはんだ付けして配線する方法もある
グラウンド・プレーン層をもつ多層マザー・ボードが使えない場合は、カード基板ごとのグラウンド同士を一緒に撚り線ではんだ付けして配線します。カード・ラック・システムが基板の差し替えで再構成される場合は、はんだ付けが出来ませんので、ネジ止めで接続することも手です。
その際には、できるだけ低抵抗が実現できる太い多重撚り線を用いてください。また電流の流れる経路や、共通グラウンド・インピーダンスに十分に注意を払う必要があります。
このように結線されたグラウンド配線は、複数のポイントでシャーシ・グラウンドに接続するとよいでしょう。しかし場合によっては、単一の一点グラウンド・ポイントで接続するほうがよいこともあります。これも物理的原則を基本にして、どのように対処するかを考えることです。


■アナログ・グラウンドとデジタル・グラウンドの結線
図9-2に示すようにアナログ・グラウンドとデジタル・グラウンドをどのように結線しておくかも大切な問題です（なおこれは「基本的な考え方」を示しています）。
マルチカード・システムではカード基板を挿抜できますので、カード基板とマザー・ボード間のアナログ・グラウンドが接続されない瞬間が生じる可能性があります（ホット・スワップという意味だけではなく、間違ってでも）。この場合、可能性として生じる過電圧を、ショットキー・ダイオードでクランプしカード基板を保護します。
しかし大きなグラウンド電流が流れる場合や、高分解能システムの場合、この図9-2のグラウンド結線では不十分なことがあります。いずれにしても「いかにしてグラウンド基準の信号をカード基板間で正確に伝送するか」ということを、いつも考えていく必要があるわけです。

図9-2 マルチカード・システムでの一点接続アナログ・グラウンド（例）