GND設計はノイズ対策の根幹をなし、
基板の品質を大きく左右します。
GNDは単なる0V電位の基準ではなく、
信号のリターンパス経路やノイズ吸収、シールド機能など
多岐にわたる役割を担っています。
GND設計が不十分な場合、
「リターンパスの不安定化による品質低下」
「GNDプレーンの分断による意図しないノイズの発生」
などのトラブルが発生し、回路性能の低下を招く可能性があります。
このGND設計に関わる設計ポイントはいくつかあり、
今回は、「基板品質を高めるGND設計の勘所」と題しまして、
GND設計のポイントや考え方について5つ具体的に解説いたします。
ポイント①：リターンパスの確保を最優先にGNDベタを作る
GNDベタを作る上で、
信号が流れる経路とそのリターン電流の経路を確保することが重要です。
特に2層基板の場合、内層がなく、反対面のGNDベタを広く確保しにくいので、
2層板の場合でもリターンパスを確保できるように配慮することが必要です。
図1. 2層基板の例
また、高速信号では、リターン電流は信号配線の直下を流れようとするため、
その直下層や隣接層をGNDプレーンにすることが重要です。
全ての信号について厳密なリターンパスの確保は困難ですが、
重要なパターンから優先的に確保することで、
ノイズを抑制し、品質の高いプリント基板を実現できます。
ポイント②：GNDベタを適切に配置する
GNDベタは、銅箔の面積を増やすことでインピーダンスを下げ、
ノイズ耐性を上げ、また放熱性を高める効果があります。
しかし、ただ広く配置すれば良いわけではありません。
CADでGNDベタを自動生成した際に、
他のGNDと接続されていない「浮島」と呼ばれる
GNDベタができてしまうことがあります。
図2. 浮島の例
これらの浮島は電気的に浮いた状態となり、
ノイズを拾ったり発生させたりする原因となります。
対策としては、これらの浮島を削除するか、
複数のビアで他のGNDと接続することが必要です。
細長いベタにはビアを配置するか、接続が難しい場合はカットします。
さらに、基板の外周をGNDベタで囲むことで、
外部からのノイズの影響を受けにくくし、
基板からのノイズ放出も抑制する効果が得られます。
ポイント③：GNDガードを適切に活用する
メモリなどのバス配線で、多数のパターンを並行して配線する場合、
隣接するラインからのクロストークの影響を受けやすくなります。
この対策として、例えば16bitの信号線の場合、
4bitごと、または8bitごとにGNDガードを行うことが有効です。
信号線1本ごとにGNDラインをペアで配線しガードすることで、
さらに信号線1本ごとにGNDラインをペアで配線しガードすることで、
よりクロストークを抑えることができます。
図3. 4bitごとのGNDガード例
また、プリント基板を設計する際に、
クロックやリセット信号をGNDガードとする場合があります。
この時、GNDガードのパターン幅をビアと同程度まで太くすることで、
ガードパターン中にビアを入れることができ、ガードパターンの効果を得られます。
但し、GNDガードパターンは、ただ配線しておけば効果があるわけではなく、
ガードパターンの配線幅にも注意して設計をする必要があります。
＞＞多数のパターンが並行して配線される場合のGNDガードについてはこちら
ポイント④：パスコンの配置に注意する
パスコンは、電源ラインに乗るノイズを除去するために欠かせない部品です。
しかし、ノイズ対策として機能させるには、GND側の配線にも十分な配慮が必要です。
GNDは回路全体の0V基準となるため、
パスコンは電源ラインとGND間に配置し、
特にGND側の配線はできるだけ短く、
かつ低インピーダンスで接続することが重要です。
また、電源IC付近に配置するパスコンは、
ICの電源端子とGND端子間を最短距離で接続するのが基本です。
図4. 電源IC付近のパスコン配置
さらに、GNDラインのインピーダンスを低減する手段として、
パスコンのGND側をGNDパターンやGNDプレーンに直接接続することも有効です。
このような設計により、GNDラインを通じたノイズの回り込みを抑制し、
回路全体の動作安定性を高めることが可能になります。
ポイント⑤：GND分離後の一点アースは調整できるよう検討する
電源GNDと制御GNDは、ノイズ干渉を防ぐために分離するのが一般的です。
しかし、分離が不十分だったり、
接続位置によっては回路性能に影響を与えることがあります。
多くの場合、電源入力部の電解コンデンサ付近でGNDを分離し、
必要に応じて一点で接続します。
この「一点アース」の位置は、基板全体のノイズ特性に大きく関わるため、
慎重な設計が求められます。
そのため、複数の接続用パッドをあらかじめ設け、
0Ω抵抗などで接続位置を変更できるようにしておき、
ノイズ評価を行ったうえで最適な接続点を選定する方法が効果的です。
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