アナログ回路

アナログ・デバイセズ株式会社　石井　聡

2011.02.24

図7-6に示す一点グラウンド（一点アース）というレイアウト設計の基本は、「回路内のすべての電圧に対し、基準電位となる1点を規定する」という考え方に基づいています。この共通のグラウンドの箇所を「一点グラウンド（一点アース）点」と呼びます。

図7-6 「一点グラウンド（一点アース）」の考え方

■そうは言ってもなかなかうまくいかない
このレイアウト設計の考え方は、コンセプトとしては道理にあったものですが、実際の場面では往々にして支障がでてきます。
たとえば一点グラウンドで回路設計をしており、信号の相互作用や高インピーダンス信号、グラウンド経路の影響が最小限に抑えられるように、それらの信号経路を設計図面上にきちんとすべて書き込んだとしましょう。
それでも、レイアウトしたプリント基板に思いもよらぬグラウンド経路が出来ていたり、電源を印加したとき本来のグラウンド経路に流れる電源電流が予想以上に大きかったり、ノイズがあったりして（あるいはこれらが複合して）、信号伝送の特性が損なわれてしまうことがあります。つまり、実レイアウトでは一点グラウンドには限界があるということです。

■アナログ電源とデジタル電源、そしてグラウンドを分離してみる
この問題は、回路の部分ごとに電源・グラウンドを分離してレイアウトすると解決できることがあります。
特にミックスド・シグナル設計で大切なことは、アナログ電源とデジタル電源を分離し、またアナログ・グラウンドとデジタル・グラウンドも分離して、それらを一点で接続するようにレイアウトすることです。

デジタル回路にはノイズが多く存在します。デジタルICは論理（H/L）の切替え時に電源から高速かつ大きいスパイク状の電流が流れますが、ノイズ・マージンが数百mV以上あるため、電源のデカップリングを厳密におこなう必要性はほとんどありません。

■アナログとデジタルを分離することが基本だが、ミックスド・シグナル・システムではちょっとやっかい
一方でアナログ回路は、電源やグラウンドからのノイズに敏感です。したがってアナログ回路とデジタル回路を分離してレイアウトし、アナログ回路の性能がデジタル回路からのノイズによって悪化しないようにすることが賢明です。
それにはグラウンドと電源の両方を分離しますが、ミックスド・シグナル・システムではこれが簡単に出来ないケースもあることでしょう。それでも本来のシステム性能を発揮させるためには、アナログとデジタルのグラウンドと電源を出来るだけ分離してレイアウトしたほうが確実です。
簡単な例を挙げると、たとえば+5V単電源で動作するアナログ回路があるとします。これがマイクロプロセッサやDRAM、モータなどの電源に使われているノイズの多い+5V電源に一緒に接続されると、問題なくこのアナログ回路が動作することはないということです。

■接続ポイントは電源のところが良い
しかし分離するとはいえ、アナログ・グラウンドとデジタル・グラウンドをシステム内のどこか1箇所で結線し、信号の基準となる共通な電位を作らなくてはなりません。
この一点接続点、つまりアナログとデジタルの共通ポイントは、アナログ回路部分のグラウンドに対してデジタル電流が流れないような位置に選ぶことです。
多くのケースで、電源端子のところをこの接続ポイントにすると良好です。ここまでの説明の要点を図7-7に示します。

図7-7 電源とグラウンドのノイズ（まとめ）

今回はアナログ・グラウンドとデジタル・グラウンドをいかに適切に、なおかつ分離してレイアウトすることの重要性を説明してきました。「それぞれの回路の電流がどのように流れるか」をよく考えることが大事という点をご理解いただければと思います。次回以降も、引き続きこのグラウンドについて考えてみます。