計測のためのアナログ回路＆基板設計

高入力インピーダンス超高感度アンプのプリント基板設計

出力信号の揺れの原因は高周波ノイズと電流リーク

高入力インピーダンスをもつ超高感度アンプは，微小な信号を計測する際に不可欠な回路です．しかし，その特性から環境雑音や寄生効果に敏感であり，プリント基板（PCB）の設計には高度な知識が求められます．

雑音対策と電流リーク防止

高入力インピーダンス・アンプでは，電流リークが重大な問題になります．非反転入力端子（$V_{+}$）と負電源端子（$V_{-}$）の間にガード・パターンを設けることで，リーク電流をグラウンドに誘導する対策が有効です．この設計により，信号ラインは正常な動作を保つことができます．

防湿対策として，基板洗浄後にフッ素系のコーティング剤（例:ダイフロン）を塗布することが推奨されます．ダイフロンは耐久性が高く，腐食性ガス（例:亜硫酸ガス）に対しても強い性能を発揮します．

ガード・パターンの実装

ガード・パターンは，電流リークが発生しやすい領域を物理的に隔離することで，その影響を抑える手法です．設計段階での工夫により，信号の正確性を保つ基盤が築かれます．

寄生容量と信号保護のブートストラップ技術

寄生容量は，信号ラインに不要な電荷の流出を引き起こし，信号の品質を低下させる要因です．具体例として，AC信号が寄生容量$C_P$を通じてリークする問題があります．この問題を解決するためには，ブートストラップ配線技術が有効です．

ブートストラップ配線では，信号ラインに平行して別の配線を配置し，寄生容量の両端の電位を常に0Vに保ちます．これにより，寄生容量を実質的に無効化し，信号の漏洩を防ぎます．

シミュレーション結果から見る効果

無対策の場合，出力波形（$V_{O1}$）は寄生容量によるリークで振幅が大きく減少します．ブートストラップ配線を施した回路（$V_{O2}$）では，分圧の影響で振幅が半分になりますが，安定した信号品質を維持できます．この結果は，ブートストラップ技術が寄生容量の影響を大幅に軽減できることを示しています．

ブートストラップ技術の限界と注意点

ブートストラップ技術は非常に有効ですが，以下のような限界や注意点があります．

1. OPアンプのスルーレート（SR）
   ブートストラップ技術を適用する場合，使用するOPアンプのスルーレート$SR$が入力信号の変化勾配に追従できることが前提条件です．これを満たさない場合，信号のひずみが発生し，設計目標を達成できません
2. 設計時の配線距離と対称性
   ブートストラップ配線を設計する際には，信号ラインとの距離と配線の対称性に注意が必要です．不均一な配線は新たな寄生容量を生むリスクがあります
3. 使用環境に応じたコーティング
   寄生容量の影響を最小限にするためには，コーティング剤の選定も重要です．フッ素系コーティング剤は特に信頼性が高いですが，環境に応じた最適な材料を選ぶことが求められます

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1969年 医療用計測器メーカ入社．心電計，血圧計などの設計に従事
• 1986年 日本バー･ブラウン入社．工業用リニアICのFAE課長
• 2001年 日本テキサス・インスツルメンツとの合併で同社へ同職で編入
• 2004年 同職の部長および上級主任技師（SMTS）へ昇進
• 2007年 定年退職後，同社の専門職契約にて社員教育／セミナ講演を担当
• 2021年現在　電気電子系雑誌「トランジスタ技術」のフリー・ライタ

著書

1. ［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．
2. 測る電子回路の作り方,トランジスタ技術スペシャルNo.131，CQ出版社．
3. 連載「新人技術者のアナログ回路スタディ」，トランジスタ技術2021年，CQ出版社．

参考文献

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．
6. "［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．
7. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．