アナログ回路

アナログ・デバイセズ株式会社　石井　聡

2010.09.30

■プリント基板の絶縁体は「完全な絶縁体」ではない
導体は「超伝導体である」と考えてしまいがちであることと同様に、絶縁体も「完全な絶縁体」であると誤解されることが多いといえます。しかし実際は絶縁体は「高抵抗体」だと考えていたほうが無難です。
ほとんどのプリント基板材料は非常に優れた絶縁体ですが、完全なものではありません。洗浄が不十分な基板材であれば、きわめてお粗末な絶縁体だといえるかもしれません。
さらにプリント基板には異方向性があります。清浄なプリント基板でさえ、部分によって表面の抵抗率が異なることがあり、また一般に端子間絶縁抵抗（2つのスルーホール間のリーク抵抗など）は、2本のパターン間の沿面抵抗より小さい値になってしまいます。

リーク抵抗は変動が大きいため（さらに温度や湿気によって変化します）、特定の状況下での値を予測することは困難ですが、清浄なプリント基板上の2本のパターン間の抵抗が10 ¹⁰ ～10 ¹¹ Ωから小さくなることはまずないと考えてよいでしょう。絶縁特性が良好なテフロン基板材料（これは大変高価です）は、一般に10 ¹² Ωを超えると考えて良いでしょう。

■ガード・リングを適切にレイアウト
インピーダンスが高く、信号電流がきわめて低い用途では、図2-5のような「ガード・リング」というパターン・レイアウトを使用して、低絶縁抵抗の影響を最小限に抑えることができます。
重要な高インピーダンスの端子を、その端子と同じ（またはきわめて近い）電位にしたリング状導体で囲むと、端子からのリーク電流を最小にすることができます。端子がグラウンド（またはそれに近い）電位にある場合は、接地したガード・リングが使用できます。
端子がグラウンド電位でない場合は、図2-6のように高入力インピーダンスのバッファ・アンプを使用し、このバッファの入力端子を高インピーダンス端子に接続し、バッファ出力でガード・リングの電位を強制的にこの端子電位と等しくさせるとよいでしょう。
またスルーホールを使って、プリント基板の両面にガード・リングをレイアウトする必要があることもポイントです。

しかし本質論からすれば、ガード・リングが必要なほど周囲の影響を受けやすい端子には、スルーホールを使わないことが良いでしょう（テフロン基板の場合を除きます）。これは上述のように、基板材料の端子間絶縁抵抗率が沿面抵抗率より小さいためです。

図2-5 低絶縁抵抗の影響を最小限に抑えるガード・リング

図2-6 高入力インピーダンスのバッファ出力でガード・リング電位を強制的に等しくさせる

■テフロン製隔離スタンドも活用できる
ガード・リングを使わない場合は、その代わりに図2-7のように、高インピーダンスの端子をテフロン製隔離スタンドで支持してレイアウトします。また図2-8にテフロン製隔離スタンドの例を示します。
無垢のテフロン材を使用すれば、10 ¹⁵ Ω程度の絶縁抵抗が可能です（「無垢のテフロン」とは、テフロン粉末や粒子を溶かして結合したものではなく、純粋なテフロン材料を機械加工して形成したものです）。このような端子を活用してレイアウトすれば、それ以外の部分の基板材料は、高絶縁抵抗にする必要は特にありません。

図2-7 高インピーダンスの端子をテフロン製隔離スタンドで支持してレイアウトする

図2-8 テフロン製隔離スタンドの例

今回はプリント基板上でのパターンが抵抗成分として、どのような影響を与えるかの基礎的なことを説明しました。
パターンは導体とはいえ、完全なものではないのです。寄生抵抗があるものとしてきちんとモデル化して考えることが重要だと判っていただけたかと思います。
引き続き実際の抵抗素子がどのように振る舞うかを考えていきたいと思います。