アナログ・デジタル混在回路におけるグランド分離の包括的調査

生成AIに調査させてみた。

概要

アナログ・デジタル混在回路においては、デジタル回路の高速スイッチングによるノイズをアナログ領域から隔離するためのグランド分離が検討されるが、実装方法次第では信号完全性やEMI特性が逆に悪化するリスクを伴う。本資料では、グランド分離の目的と効果、接続点の選定基準、分離効果の検証手法、分離によるデメリット、そして従来手法であるグランド分離と近年主流のソリッドグランドプレーン技術の比較を一覧表で整理する。

グランドを分離する意味・効果

アナログ・デジタル混在回路におけるグランド分離の主な目的は、ノイズアイソレーションである。デジタル回路の高速スイッチング動作により発生するノイズが、敏感なアナログ回路に干渉することを防ぐことが基本的な考え方となっている。^1^3

分離による具体的な効果

アナログ・デジタル間のクロストーク抑制が最も重要な効果である。デジタル回路が生成する高周波ノイズ成分がアナログ信号経路に混入することを物理的に遮断し、特に低レベルのアナログ信号のS/N比改善に寄与する。^3^6

リターン電流経路の制御も重要な効果として挙げられる。分離されたグランドプレーンにより、デジタル回路のリターン電流がアナログ回路領域を通過することを防ぎ、グランドバウンスノイズの影響を最小化できる。^5^1

EMI/RFI特性の改善も期待される効果の一つである。適切に実装された場合、放射エミッションと感受性の両方を低減し、電磁適合性（EMC）要件の達成に寄与する。^4

接続点の選び方

グランド分離を実装する場合、接続点の選定が極めて重要である。以下の原則に従って接続点を決定する必要がある。^9^1

スタポイント接続の原則

混在信号デバイス直下での接続が最も推奨される方法である。ADCやDACなどの混在信号ICのAGNDピンとDGNDピンの直下で、アナログとデジタルグランドプレーンを単一点で接続するスタポイント構成が基本となる。^10^11

電源に近い位置での接続も有効な選択肢である。システムレベルでの基準点として機能し、全体のグランドインピーダンスを最小化できる。^12^10

複数変換器システムでの配慮

複数のADC/DACを含むシステムでは、各混在信号デバイス毎にスタポイントを設けるのではなく、システム全体で単一のスタポイントを設置することが推奨される。これにより、グランドループの形成を防ぎ、システム全体の安定性を確保できる。^11

接続方法の選択肢

接続方法には以下の選択肢がある：

• 直接接続：最もシンプルな方法で、低インピーダンス接続を実現^10
• フェライトビード経由：高周波ノイズを遮断しつつDC接続を維持^13
• ステッチングキャパシタ：ACカップリングによる高周波電流経路を提供^14
• バックツーバックショットキーダイオード：過電圧保護機能付きの接続^10

分離効果の検証方法

グランド分離の効果を定量的に評価するためには、複数の測定手法を組み合わせた包括的な検証が必要である。

電気的特性測定

グランドインピーダンス測定は最も基本的な検証方法である。ネットワークアナライザを用いて、各グランド領域のインピーダンス周波数特性を測定し、分離効果を定量化する。^16

S/N比測定により、アナログ信号の品質改善を直接評価できる。デジタル回路動作時と停止時のアナログ信号S/N比を比較し、分離効果を確認する。^5

クロストーク測定では、デジタル信号がアナログ回路に与える干渉レベルを定量化する。スペクトラムアナライザを用いて、アナログ信号スペクトラム中のデジタルノイズ成分を解析する。^18

EMC測定による検証

放射エミッション測定は、システム全体のEMI特性を評価する重要な手法である。CISPR 25などの規格に従い、アンテナを用いた放射エミッション測定を実施する。^19

伝導エミッション測定により、電源ラインを通じた不要放射を評価する。LISN（Line Impedance Stabilization Network）を用いて、コモンモードおよびディファレンシャルモードの伝導性ノイズを測定する。^21

シミュレーションによる事前検証

電磁界シミュレーションツールを用いて、設計段階での効果予測が可能である。Cadence Sigrityなどの専門ツールにより、リターン電流経路とフィールド分布を可視化し、分離効果を事前に評価できる。^15

分離によるデメリット（逆効果）

グランド分離は適切に実装されない場合、元々解決しようとした問題よりも深刻な問題を引き起こす可能性がある。^2^22

信号完全性への悪影響

スロットラインモードの発生が最も深刻な問題である。グランドプレーンの分割により生じたスロット（隙間）が不要な電磁波伝搬モードを形成し、信号の完全性を大幅に劣化させる。^23^2

リターン電流経路の延長により、ループインダクタンスが増加し、信号品質が悪化する。特に高周波信号では、リターン電流が信号線直下を通れないため、大きなループを形成し、放射エミッションが増加する。^7

インピーダンス不整合が発生し、信号反射による波形歪みが生じる。分割されたグランドプレーンにより、制御インピーダンスの維持が困難になる。^24

EMI特性の悪化

スロットアンテナ効果により、グランドプレーンの分割部分がアンテナとして機能し、放射エミッションが大幅に増加する可能性がある。これは特に、信号線が分割部分を横切る場合に顕著に現れる。^6^2

グランドループの形成により、コモンモードノイズが増加する。複数の接続点が存在する場合や、不適切な接続方法により、意図しないループが形成される。^12

設計・製造上の問題

ルーティング制約の増加により、PCB設計が大幅に複雑化する。信号線がグランド分割部分を横切ることを避けるため、配線長が増加し、コストと設計時間が増大する。^2

製造時の品質管理が困難になり、スタポイント接続の品質により性能が大きく左右される。接続不良や接続抵抗のばらつきがシステム性能に直接影響する。^22

グランド分離と（多層化による）ソリッドグランドプレーンの違い

現代の混在信号PCB設計では、グランド分離よりもソリッドグランドプレーンが強く推奨される。^25^22

ソリッドグランドプレーンの優位性

高周波特性の優秀さが最大の利点である。連続したグランドプレーンにより、リターン電流が信号線直下の最短経路を通ることができ、ループインダクタンスとEMIが最小化される。^26^2

設計の簡素化により、ルーティング制約が大幅に軽減される。信号線がグランドプレーンのどこを通っても適切なリターン経路が確保され、設計効率が向上する。^25

製造の安定性も重要な利点である。複雑な接続部分がないため、製造ばらつきによる性能変動が最小化される。^22

多層化による機能分離

レイヤ分離による機能別最適化が可能である。アナログとデジタル回路を異なるレイヤに配置し、各レイヤに専用の電源プレーンを設けることで、ソリッドグランドプレーンを維持しながらノイズ分離を実現できる。^20^11

ビアフェンシング技術により、ソリッドグランドプレーン上で局所的なノイズアイソレーションが可能である。敏感なアナログ回路周辺に多数のビアを配置し、高周波ノイズの侵入を物理的に遮断する。^4

パーティショニングアプローチ

物理的配置による分離が現代的なアプローチである。ソリッドグランドプレーンを維持しながら、アナログとデジタル回路を物理的に分離された領域に配置し、相互干渉を最小化する。^1^25

専用電源プレーンによる分離も有効である。グランドプレーンは統一し、電源プレーンのみを分離することで、ノイズアイソレーションを達成しながら、グランド分離のデメリットを回避できる。^11

まとめ

アナログ・デジタル混在回路におけるグランド分離は、適切に実装された場合にはノイズアイソレーション効果を提供するが、現代のPCB設計では推奨されない手法となっている。主な理由は、分離により生じる信号完全性とEMI特性の悪化が、得られる利益を上回ることが多いためである。^7^22

代替として、ソリッドグランドプレーンと適切なパーティショニングを組み合わせた設計が推奨される。これにより、グランド分離の利点を維持しながら、デメリットを回避することが可能である。^25

多層PCB技術の活用により、レイヤ分離と専用電源プレーンを組み合わせることで、より効果的なノイズアイソレーションが実現できる。設計者は、システムの要件と制約を総合的に評価し、最適なグランド戦略を選択することが重要である。^20