1pAを測るなら Rogers基板を採用

計測のためのA-Dコンバータ実装術

微小電流測定と基板材料の重要性

1ピコ・アンペア（1pA）以下の微小電流を正確に測定するためには，回路の設計だけでなく，基板材料の選定が極めて重要です．エレクトロメータやTIAといった高インピーダンス回路を使う場合，微細なリーク電流や絶縁の劣化が測定精度を著しく損なうためです．

このような用途では，一般的なガラス・エポキシ基板（FR4）では十分な絶縁性を得られないため，より高性能な基板材料が求められます．中でもロジャース（Rogers）基板やテフロン基板は高絶縁性・低誘電正接を兼ね備えており，微小電流測定に適しています．

ロジャース基板とテフロン基板の応用

実際の測定では，レジストを一切塗布していない裸のロジャース基板を用いることで，表面絶縁性を最大限に確保する工夫が施されています．回路上に配置されたTIAは，0.1pAクラスの信号を高精度に捉える必要があるため，こうした材料的な配慮が不可欠です．

テフロン（PTFE）基板もまた，同様に絶縁性と高周波特性に優れ，かつてはA-Dコンバータのアナログ・モジュールに多用されていました．近年ではコストや加工性の観点から利用が減少していますが，微小信号系では今も重要な選択肢です．

実装設計における基板選定の判断基準

基板材料を選定する際には以下の特性が重要です．

1. 比誘電率が低いこと（信号速度の高速化に寄与）
2. 誘電正接（tan$\delta$）が小さいこと（信号損失の低減）
3. 表面絶縁性が高いこと（リーク電流の抑制）
4. 熱安定性が高いこと（温度依存性の影響を減らす）

セラミック基板も高絶縁性に優れますが，加工性に難があるため用途は限定的です．ロジャース基板やテフロン基板はこれらの要件を高レベルで満たし，精密測定用途で広く採用されています．

まとめ

1pAの電流を扱う測定回路では，絶縁性の高いロジャース基板やテフロン基板の採用が不可欠です．レジスト未塗布の裸配線やTIAの実装により，わずかな信号も正確に捉える回路が構築できます．材料の物理特性を深く理解したうえでの基板選定が，精密計測の成否を左右します．

ロジャース基板の定義と構造

ロジャース基板とは，セラミック・フィラーを含んだ特殊樹脂で構成される高性能プリント基板材料です．一般的なFR4基板と異なり，比誘電率が2～3台と低く，誘電正接（tanδ）も極めて小さいのが特徴です．これにより高速信号伝送と高絶縁性が両立され，微小信号回路や高周波用途に適しています．

測定回路における利点

ロジャース基板は，高精度な定電流回路やエレクトロメータ回路での利用実績があります．1pA未満の微弱電流を正確に扱うには，基板上で発生するリーク電流を極限まで抑える必要があります．この目的のために，以下のような特性が求められます．

1. 高絶縁性（リーク電流を抑える）
2. 低吸湿性（環境変動の影響を受けにくい）
3. 表面にレジストを塗布しない設計が可能
4. TIAやエレクトロメータ回路との高い親和性

こうした利点から，ロジャース基板は実験用計測器や試作基板，衛星通信機器，マイクロ波アンプなどでも採用されています．

FR4との比較と注意点

一般的なFR4基板の比誘電率は約4.2以上で，誘電正接も大きいため高周波用途や高精度アナログ用途には不向きです．一方，ロジャース基板は加工費が高く，基板設計や量産時にはコストや入手性の面で慎重な判断が必要です．

また，裸のロジャース基板を使用する場合は，表面の汚れや湿気に対する対策も不可欠です．環境制御された実験条件下で使うことが前提です．

まとめ

ロジャース基板は，1pAレベルの電流測定など精密回路設計において欠かせない材料です．高絶縁性と高周波特性を両立し，微小信号の信頼性を支える構造をもちます．基板材の選定が回路性能に与える影響は極めて大きく，ロジャース基板はその中核を担う存在です． 〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1979年　芝浦工業大学　通信工学科卒業
• 同年　Analog Devices of Japan Inc に入社（後にアナログ・デバイセズ株式会社）同社にてアナログ・モジュール開発，Mixedシグナル・テスタのテスト・モジュール開発、高速リニア・カスタム集積回路の開発サポート，汎用リニア製品マーケティング等を担当．

著書

1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book］電子回路とプリント基板のノイズ解決 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．