センサーの微小信号を増幅し、ADCでデジタル化してMCUやFPGAへ渡す回路では、アナログ回路とデジタル回路を同じ基板に配置します。レイアウトを確認するときは、アナログGNDとデジタルGNDを分けるかどうかだけで判断せず、信号経路、ノイズ源、リターン電流の流れを一緒に追うことが重要です。

本記事では、センサー入力からアナログフロントエンド、基準電圧、ADC、デジタルインターフェースへ進む構成を例に、設計レビューの順序を整理します。基板製造の見積もりや仕様確認が必要な場合は、PCBgogoの案内もご確認ください。

信号チェーンに沿って配置を組み立てる

最初に、回路図からセンサー入力、増幅・フィルター、基準電圧、ADC、MCUまたはFPGA、クロックや制御信号までを一方向に並べます。配置検討では、部品の機能だけでなく、どの信号がどこへ流れ、どの電流がどの経路で戻るかを確認します。

例えば、センサー入力端子からアナログフロントエンドまでの経路が長く、その近くにクロックやスイッチング電源の電流経路が通ると、意図しない結合を受ける可能性があります。まず信号の流れを保ち、敏感な入力、基準電圧、ADCの配置をまとめて検討したうえで、デジタル処理部やノイズ源の位置を決めます。

ADCは「アナログ側」か「デジタル側」かという名称だけで置き場所を決められません。入力端子、基準端子、アナログ・デジタル電源、デジタル出力の構成をデータシートで確認し、各ピンが関係する回路ブロックと信号経路に合わせて配置します。

敏感な入力とノイズ源の位置関係を見る

次に、センサーから増幅器までの低レベル信号や高インピーダンスのノードと、クロック、デジタルバス、スイッチング電源などのノイズ源を基板上で確認します。両者が近いかどうかだけでなく、並走する長さ、共有する層や基準面、電流ループが重なる箇所も見ます。

結合の起きやすさは、信号の周波数やエッジ、回路のインピーダンス、配線構造、層構成などで変わります。そのため、一律の離隔距離をルールにするのではなく、対象となる入力の感度とノイズ源の電流経路を照らし合わせます。必要に応じて、配線層や経路を変える、ノイズ源を別の機能区画へ移す、信号とリターンの経路を近づけるなど、原因に応じて見直します。

混載回路のGND分離を検討する際は、GNDプレーン設計で起きやすい問題も参考になります。本記事では一般的な不具合一覧ではなく、現在の信号チェーンでどの経路が共有されているかに絞って確認します。

GND接続とリターン経路をセットで確認する

AGNDやDGNDというピン名・ネット名は、設計上の機能を示す手掛かりですが、基板上で電流経路が分かれていることを自動的に保証するものではありません。ADCのデータシートや推奨レイアウトを読み、各GNDピン、基準電圧回路、アナログ入力、デジタル出力の接続関係を確認します。

GNDプレーンを分割すると、信号配線が分割境界をまたぐ場所でリターン電流の経路が途切れたり、迂回したりすることがあります。一方で、特定の回路構成では回路区画や接続方法を分ける設計が適する場合もあります。したがって、分割の有無を先に決めるのではなく、信号とリターン電流の経路、共有インピーダンス、実際の層構成を見て判断します。

信号が層を切り替える箇所では、基準となる面が連続しているか、リターン電流が無理なく経路を移れるかを確認します。平面の切れ目やスリットをまたぐ配線がある場合は、電源・グランドプレーンとスタックアップの関係を踏まえ、対象の層構成で戻り道が確保されているかを見直します。

ADC周辺の電源とデカップリングを確認する

デカップリングはコンデンサーの個数だけでなく、電源ピンからコンデンサーを通り、基準面へ戻る電流ループとして確認します。ADC、基準電圧源、アナログフロントエンドについて、データシートやレイアウトガイドに示された推奨接続を回路図と基板レイアウトの両方で照合します。

電源ピンからコンデンサーまでの配線や、コンデンサーのGNDから基準面までの接続が長くなると、寄生成分が電源インピーダンスに影響することがあります。ただし、適切な容量や配置距離はデバイス、電源回路、動作条件で異なります。汎用の数値を当てはめず、選定部品と対象ICの資料を基準にします。

多層基板では、信号層と基準面の位置関係もリターン経路に関係します。層構成の一般的な考え方は、多層基板のEMC設計における確認事項と役割を分け、本記事ではADC周辺の具体的な電源・信号経路との関係に限定して確認します。

電気設計レビューと製造DFMを分ける

設計凍結前には、電気的なレビューと製造データの確認を分けて進めます。前者では、敏感な入力、ノイズ源、信号とリターンの経路、GND接続、基準電圧、デカップリングを確認します。後者では、確定した層構成、線幅・間隔、ビア、銅箔、基板外形や穴加工などが製造仕様に合っているかを確認します。

• センサー入力からADCまでの経路に、不要な並走やノイズ源との重なりがないか

• ADCの各電源・GND・基準端子が、対象デバイスの推奨接続と整合しているか

• 信号の層変更や平面境界で、リターン経路が途切れたり大きく迂回したりしないか

• クロックやスイッチング電流のループが、敏感なアナログ入力や基準回路に近接していないか

• 製造仕様と設計上の電気要件を別々に確認し、未確定事項を記録したか

製造データ上の寸法や層構成が仕様に合うことだけで、ノイズ性能やEMC適合が確認されたことにはなりません。回路動作、実装状態、筐体やケーブルを含むシステム評価が必要な項目は、製品要件に応じて別途計画します。

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アナログ・デジタル混載基板のレイアウトは、GNDを分けるかどうかだけでは決められません。信号チェーンに沿って部品を配置し、敏感なノードとノイズ源、各信号のリターン経路、対象ICの推奨接続を順に照合すると、設計上の確認点を具体化できます。