要は入力ピン！OPアンプの基板実装法


GND層との容量結合が見えたら勝ち

性能はグラウンド・プレーンで決まる

図1　OPアンプのパフォーマンスを引き出すカギは，入力ピンや基板上のグラウンド層との容量結合をいかに減らすか．［著・提供］藤森 弘己画像クリックで動画を見る．または記事を読む．詳細は［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室 【OPアンプ活用/基板実装編】

基板の設計におけるグラウンド層との容量結合の重要性

OPアンプやアナログ回路の設計において，基板のレイアウトは性能に大きな影響を及ぼします．その中でも，入力ピンや基板上のグラウンド層との容量結合は，特に注意すべき要素です．ここではOPアンプの基板実装において，グラウンド層との容量結合の考え方や，それが性能にどのように影響を与えるかを解説します．

グラウンド層との容量結合とは何か？

基板設計において，グラウンド層（グラウンド・プレーン）は非常に重要な役割を果たします．グラウンド層は，基板上のアナログ回路やディジタル回路の信号が戻るためのリターン・パスを提供し，システム全体の安定性を向上させます．しかし，単にグラウンド層を設けるだけでは不十分です．グラウンド層と基板上の回路要素との間には容量結合が発生し，その容量が大きくなると信号にノイズが乗る可能性が高まります．特に高周波で動作する回路や，ノイズに敏感なアナログ回路においては，この容量結合が回路性能に悪影響を与えることがあるため，設計者はこれを制御する必要があります．

OPアンプの入力ピンとグラウンド層の関係

OPアンプの入力ピンは，基板上のほかの回路要素と同様にグラウンド層との間で容量結合が発生します．この結合容量が小さい場合は問題にならないことが多いですが，容量が大きくなると信号に対するノイズの影響が増し，回路の正確な動作が妨げられます．特に高感度なアナログ回路では，この容量結合が増加すると，外部からのノイズや基板内のほかの信号の干渉が増えるため，設計段階での対策が重要です．

基板上でグラウンド層と入力ピンの容量結合を最小限に抑えるための方法の1つとして，入力ピンをグラウンド層からできるだけ離すことが挙げられます．また，グラウンド層のパターンを適切に設計し，回路全体で容量結合が均等に分布するように工夫することも有効です．

グラウンド・プレーン設計の重要ポイント

グラウンド・プレーンとは？

グラウンド・プレーン（グラウンド層）は，基板の片面または1層を連続した導体で構成したもので，回路のグラウンドとして機能します．これにより，最小限のグラウンド抵抗とインダクタンスを得ることができますが，すべての問題がこれで解決するわけではありません．例えば，グラウンドを分離したり，切り込みを入れることで，性能が向上したり悪化したりする可能性があります．

グラウンド層の分離とレイアウトの工夫

アナログ回路とディジタル回路が混在するシステムでは，アナロググラウンドとディジタルグラウンドを分離することが推奨されています．これは，ディジタル回路の高速スイッチングによるノイズがアナログ回路に干渉するのを防ぐためです．4層基板などでは，アナログ専用のグラウンド・プレーンとディジタル専用のグラウンド・プレーンを設け，これを1点アースで接続することで，ノイズの干渉を最小限に抑えることが可能です．

寄生容量とインダクタンスの影響

基板上の配線やパッドは，寄生容量や寄生インダクタンスをもつため，これが高周波信号に影響を与えることがあります．寄生容量を減らすためには，PCBの厚さを増やす，配線やパッドの面積を減らすなどの対策が有効です．一方，寄生インダクタンスを減らすためには，グラウンド・プレーンの使用，配線長の短縮，配線幅の増加が効果的です．〈ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

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．