アナログ回路

アナログ・デバイセズ株式会社　石井　聡

2011.03.24

しかし、スリットをグラウンド・プレーン内に入れることは、必ずしも良いことばかりではありません。
ここまで述べてきた「往きと帰りの信号経路が遠くなれば、インダクタンスが大きくなってしまう」という点が、スリットにより実際の問題としてクローズ・アップされてきてしまいます。
図8-6のように、グラウンド・プレーン上の表面層にパターンがレイアウトされ、ここに高速な信号…つまり高周波信号が流れているケースがよくあります。この物理的な形状を「マイクロ・ストリップ・ライン」と呼びます。このパターン直下のグラウンド・プレーンに高周波信号のリターン電流の大部分が流れるようになります。

図8-6 グラウンド・プレーン上の層にレイアウトされる「マイクロ・ストリップ・ライン」

■高周波信号では特性インピーダンスと終端抵抗を規定する
このマイクロ・ストリップ・ラインの特性インピーダンスは、パターン幅、基板材料の厚さ、誘電率で決まります。
低周波信号用途では、だいたいの場合、パターンは終端抵抗できちんと終端をされていませんし、特性インピーダンス自体も重要ではありません。
しかし、高周波信号用途では、信号が流れるパターンを正しく終端し、このプリント基板上のパターンをマイクロ・ストリップ伝送ラインとして（きちんと特性インピーダンスを規定して）取り扱うことが大切です。
またこのような場合、高い周波数における伝送損失を最小限に抑えるには、高周波損失が低い基板材料を選択することが重要です。これはテフロン基板材料やBTレジン材などがあたりますが、一般的には高価な材料になってしまう点が問題です。

■両面基板で2つの信号伝送ラインの直交パターンを交差させるには
図8-7のように、信号伝送するパターン直下のグラウンド・プレーンにベタヌキ（スリット）がレイアウトされている（できてしまう）場合を考えてみます。このスリットの周囲を高周波信号のリターン電流が流れることになり、回路が外部電磁界の影響を受けやすくなりますし、パターンのインダクタンスも増加してしまいます。
もし、両面基板上で2つの信号伝送ラインを交差させるのであれば、図8-8のように片側のパターンとグラウンド・プレーンを横切るように、もう一方の信号を「短いリード線」で基板の背面で接続させるのがよいでしょう。
こうすることでグラウンド・プレーンを、2信号のパターン間の「シールド」として活用できます。また2信号のそれぞれのグラウンド・リターン電流も表皮効果によって、相互にグラウンド・プレーンの反対側を流れるので、干渉し合わないので最適です。

図8-7 信号伝送パターン直下のグラウンド・プレーンにスリットができてしまう場合

図8-8 両面基板を用いて2つの信号伝送ラインを交差させるアイディア

■多層基板で2つの信号伝送ラインを交差させるのはもっと簡単
多層基板では、図8-8のような短いリード線でジャンプ結線する必要はありません。信号伝送ラインの交差と、連続したグラウンド・プレーンの両方が同時に実現できます。
多層基板は両面基板に比べても高価であり、かつデバッグやトラブル・シュートも難しいのですが、シールドと信号配線レイアウトが柔軟に実現できます。元々の物理的原理としては両面基板と同じですが、レイアウトでの選択肢の幅を広げることができます。

■いずれにしてもグラウンド・プレーンは有効なので積極的に使用する
両面基板であれ多層基板であれ、高性能が要求されるミックスド・シグナル回路の設計とレイアウトにおいては、少なくとも連続した1枚のグラウンド・プレーンを基本として、パターン・レイアウトすることが最良といえます。
いろいろと注意点を説明しましたが、一般的なケースではグラウンド・プレーンは十分に低インピーダンスですので、1枚のグラウンド・プレーンをプリント基板上のアナログ回路部分とデジタル回路部分の両方に共用することができます。
ただし、デジタル・ノイズ量や必要な周波数帯域幅、そしてコンバータの分解能にも依存する問題であることには変わりがありませんので、アナログ回路にノイズを生じさせるデジタル信号の電流の流れなどに十分に注意することが必要です。
最後に図8-9にここまでの説明をまとめてみます

図8-9 グラウンド・プレーン活用のススメ（まとめ）

今回はミックスド・シグナルICの代表格であるコンバータのグラウンド設計、そしてグラウンド・プレーン自体についてどのように考えていけばよいかを示してきました。
いずれにしてもそれぞれの必要性、問題点を物理的原理から考えてみることが大切です。その視点が未然にトラブルを防げるレイアウト設計にもつながりますし、生じたトラブルさえも迅速に解決することができます。